I fisici del Dipartimento di nanofotonica e metamateriali dell'Università ITMO hanno dimostrato sperimentalmente la fattibilità della progettazione di un analogo ottico di un transistor basato su una singola nanoparticella di silicio. Poiché i transistor sono alcuni dei componenti più fondamentali dei circuiti di calcolo, i risultati dello studio hanno un'importanza cruciale per lo sviluppo dei computer ottici, dove i transistor devono essere molto piccoli e ultraveloci allo stesso tempo. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nano lettere .

Le prestazioni dei computer moderni, che utilizzano gli elettroni come portatori di segnale, è in gran parte limitato dal tempo necessario per attivare il transistor, di solito da 0,1 a un nanosecondo (1/1.000.000.000 di secondo). Computer ottici di nuova generazione, però, fare affidamento sui fotoni per trasportare il segnale utile, che aumenta notevolmente la quantità di informazioni che passano attraverso il transistor al secondo. Per questa ragione, la creazione di un transistor completamente ottico ultraveloce e compatto è considerata strumentale allo sviluppo del calcolo ottico. Un tale nanodispositivo consentirebbe agli scienziati di controllare la propagazione di un raggio di segnale ottico mediante un raggio di controllo esterno entro diversi picosecondi.

Nello studio, un gruppo di scienziati russi dell'Università ITMO, Lebedev Physical Institute e Academic University di San Pietroburgo hanno adottato un approccio completamente nuovo per progettare tali transistor ottici, aver realizzato un prototipo utilizzando una sola nanoparticella di silicio.

Gli scienziati hanno scoperto che potevano cambiare drasticamente le proprietà di una nanoparticella di silicio irradiandola con un impulso laser intenso e ultracorto. Il laser funge quindi da raggio di controllo, fornendo fotoeccitazione ultraveloce di plasma lacuna elettronica denso e rapidamente ricombinante la cui presenza modifica la permittività dielettrica del silicio per pochi picosecondi. Questo brusco cambiamento nelle proprietà ottiche della nanoparticella apre la possibilità di controllare la direzione in cui viene diffusa la luce incidente. Ad esempio, la direzione della dispersione delle nanoparticelle può essere cambiata da indietro a avanti su una scala temporale di picosecondi, a seconda dell'intensità dell'impulso laser di controllo incidente. Questo concetto di commutazione ultraveloce è molto promettente per la progettazione di transistor completamente ottici.

"In genere, i ricercatori in questo campo sono concentrati sulla progettazione di transistor completamente ottici su scala nanometrica mediante il controllo dell'assorbimento delle nanoparticelle, quale, in sostanza, è del tutto logico. In modalità ad alto assorbimento, il segnale luminoso viene assorbito dalla nanoparticella e non può attraversarlo, mentre fuori da questa modalità la luce può propagarsi oltre la nanoparticella. Però, questo metodo non ha prodotto risultati decisivi, " spiega Sergey Makarov, autore principale dello studio e ricercatore senior presso il Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali. "La nostra idea è diversa nel senso che controlliamo non le proprietà di assorbimento della nanoparticella, ma piuttosto il suo diagramma di dispersione. Diciamo che la nanoparticella normalmente disperde quasi tutta la luce incidente nella direzione all'indietro, ma una volta che lo irraggiamo con un impulso di controllo, viene riconfigurato e inizia a diffondere la luce in avanti."

La scelta del silicio come materiale per il transistor ottico non è stata casuale. La creazione di un transistor ottico richiede l'uso di materiali economici appropriati per la produzione di massa e in grado di modificare le proprie proprietà ottiche in diversi picosecondi (nel regime di plasma denso di lacune elettroniche) senza surriscaldarsi allo stesso tempo.

"Il tempo che impieghiamo per disattivare la nostra nanoparticella ammonta a pochi picosecondi, mentre per attivarlo non occorrono più di decine di femtosecondi. Ora abbiamo già dati sperimentali che indicano chiaramente che una singola nanoparticella di silicio può effettivamente svolgere il ruolo di un transistor completamente ottico. Attualmente stiamo progettando di condurre nuovi esperimenti, dove, insieme a un raggio di controllo laser, introdurremo un utile raggio di segnalazione", conclude Pavel Belov, coautore del paper e capo del Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali.