Как Создать микропереключатель, теряющий всего 2% падающего на него излучения?

Два взаимно пересекающихся волновода с переключателем, покрытых золотом. Иллюстрация Physorg

Отличие фундаментальных исследований от прикладных в том, что никто не ждет от первых непосредственной практической выгоды. Что практичного было в мыслях эллинских мудрецов о поисках далее неделимой субстанции, то есть атомов? Так и в споре Ньютона и Лейбница не родилась истина о природе света – волновой или корпускулярной. Неопределенность сохранялась до тех пор, пока в этом споре вроде бы не поставил точку окулист из Лондона Томас Юнг. Он направил пучок света через пластинку с двумя щелями, за которой увидел картину, очень напоминающую ту, что возникает на поверхности воды, когда в нее одновременно бросили два камня.

На стене возникла картина из светлых и темных полос, то есть «всплесков» светимости и ее подавления. Картину назвали интерференцией, или «вмешательством» одних волн в другие, что подтверждало правоту Лейбница. Однако через век в ней усомнился Альберт Эйнштейн, считавший, что свет состоит из квантов, или корпускул Планка. Они реагируют на гравитационное поле звезд, огибая их по кривой. Отцы-основатели квантовой физики примирили два взгляда, постулировав распространение света в квантово-волновых пакетах.

Законы квантовой физики гласят, что интерференция света представляет собой картину, создаваемую расщеплением фотона, «половина» которого затем может усиливать – если совпадают фазы – волну или при сдвиге фаз «уничтожать» ее (отсюда и появляется картина в виде зебры).

Нечто похожее затем открыли и в полупроводниках, из которых сделали первый транзистор, то есть резистор-сопротивление с меняющимися характеристиками. Первый транзистор, за который почти сразу вручили Нобелевскую премию, был площадью с ноготь мизинца. Ныне на такой же площади кремниевого чипа научились размещать миллиарды транзисторов толщиной 4–7 нанометров (нм).

Делать это, однако, все трудней и трудней, поскольку в дело вмешивается электро- и термодинамика. Движение электронов и их взаимодействие с другими атомами приводят к генерированию «паразитического» тепла, из-за чего даже продвинутые ноутбуки невозможно сделать, например, толщиной с лист бумаги. Физики давно знают, что проблема решается путем использования видимого света. Фотоны не взаимодействуют друг с другом и обычными материалами (если не брать соединения, используемые в солнечных панелях).

Свет давно мог бы передавать полезную информацию, однако длины волн светового излучения, измеряемые сотнями нанометров, не позволяют использовать их в чипах. К тому же свет «склонен» к утечкам, в результате чего даже лучшие оптические переключатели теряют до 60% фотонов.

Но, похоже, что совместными усилиями сотрудников вашингтонского Института стандартов и мер, Мэрилендского университета и их коллег из Технического института в Цюрихе проблема начала решаться. По крайней мере ученым и практикам удалось создать световой переключатель (switch), теряющий всего 2% света и тратящий на включение-выключение лишь 20 наносекунд. Все это при напряжении, подаваемом на обычные металлооксидные транзисторы (CMOS).

Проблему с длинными световыми волнами удалось решить с помощью сусального золота. Обычно это тонко раскатанный благородный металл, толщина которого измеряется микронами, что очень много для современной наноэлектроники. В Вашингтоне и Цюрихе сделали переключатель размером всего в один микрон, поэтому естественно, что золотое покрытие не превышало нескольких нанометров (в микроне этих нанометров – целая тысяча). Золото в данном случае использовано не только для контактов, но и как источник плазмонов. В этом весь эффект.

Известно, что на поверхности металлов имеются свободные электроны, образующие «плазму». Свет, падающий на золотую фольгу переключателя, генерирует плазмон, или единую электронную волну, длина которой ничтожно мала по сравнению со световой. Благодаря этому ученые получили возможность манипулировать очень короткой длиной волны, распространяющейся на какие-то нанометры. Причем она меняется в зависимости от ширины просвета между поверхностью кремниевого чипа и золотой мембраной-фольгой. Управление просветом осуществляется электростатически, что очень удобно с точки зрения наноэлектроники, так как изменение просвета усиливает или ослабляет свет в зависимости от его фазы.

Далее вступает в действие рекомбинация, «восстановление» света – возврат электрона с более высокого энергетического уровня в исходное состояние. Это обычно сопровождается испусканием фотона света. Если свет рождается в противофазе, то переключатель «запирается» и вынужден менять направление. При этом его можно перенаправить на сотни компьютерных чипов-адресов.

Так впервые показана возможность создания оптических и даже квантовых компьютеров, работающих без глубокого охлаждения и, следовательно, сверхкомпактных. Пока речь идет о прототипе, но авторы статьи «Нано-опто-электромеханические переключатели, работающие под напряжением CMOS» уверены, что им удастся еще больше миниатюризировать их устройство за счет еще большего сокращения просвета между поверхностью кремния и золотой мембраной.