Терагерцовый кремний

Терагерцовый импульс в графене.

Графен, открытый двумя нашими соотечественниками, Андреем Геймом и Константином Новоселовым, работающими в Манчестерском университете, уникален своим моноатомным слоем углерода. Электропроводность такого мономатериала близка к сверхпроводимости. Но у графена есть и другие преимущества по сравнению с кремнием, поэтому все ожидают, что он сменит классический силикон на троне микроэлектронных чипов.

Помимо этого графен в силу его механической прочности используют сегодня для защиты поверхностей археологических находок, подвергающихся воздействию атмосферных кислорода и агрессивных примесей. Так, сотрудники Иллинойского университета в г. Урбана-Шампань покрыли им средний деревянный «гроб» Тутанхамона, нанеся что-то вроде естественной патины, образующейся со временем на меди и бронзе. Разработанный ими метод химического осаждения они опробовали сначала, нанеся слой графена на поверхность палладиевой пластинки.

А в Технологическом университете шведского Гетеборга создали графеновое покрытие с выступающими «шипами», которые убивают микроорганизмы, препятствуя тем самым образованию бактериальных пленок. Последние представляют собой серьезное осложнение после пересадки органов и тканей.

Графен, согласно исследованиям сотрудников дрезденского Центра Гельмгольца и Эссенского университета в Дуйсбурге, может с высокой эффективностью конвертировать гигагерцовые колебания в терагерцовые, то есть увеличивать частоту в 1000 раз. «Графен представляет собой электронный материал с сильной нелинейностью», – пишут в журнале Nature авторы исследования. Использование графена вместо кремния обещает увеличить точность нынешних часов в тысячу раз, а также скорость прохождения информации. Неудивительно, что графен действительно сменит кремний, фундаментальные частоты которого не превышают 300–680 гигагерц.

Пара почти идентичных фотонов, получаемых в круглых волноводах.

Но и кремниевые чипы не собираются сдаваться. Это доказали электронщики Университета Вандербилта в г. Нэшвил (США). Длины волн видимого света измеряются сотнями нанометров, а у инфракрасного излучения они достигают 1 микрометра (микрона). Вместе с коллегами из Технологического университета во французском г. Труа американцы создали на плоской поверхности объекты в виде галстука-бабочки размером всего лишь 12 нанометров. Удивительно, но эти «устройства» эффективно концентрируют свет, фокусируя его наподобие лупы.

Преимущество света перед электронами заключается в его значительно большей скорости распространения и в том, что фотоны не генерируют при этом тепла. Ученые не только «словили» и уменьшили длину волны света, сконцентрировав его, то есть увеличив плотность световой энергии, но и смогли надежно удерживать его. Свое достижение они сравнили со слоном, которого «втиснули» в холодильник, где он добровольно и остается. Тем самым открывается путь к созданию реально работающих оптоэлектронных цепей.

Для фундаментальной физики открывается еще одна возможность изучения взаимодействий света с материей, или фотоэффекта, за описание которого Альберту Эйнштейну была вручена Нобелевская премия еще в 1921 году.

Световые пики, «поднимающиеся» из структур в виде бабочки. Иллюстрация Physorg

Кремний может оказаться весьма полезным и при «производстве» одиночных фотонов. Сейчас этого можно добиться методом глубокого охлаждения. Не удовлетворяет квантовых физиков то, что фотоны при этом получаются неидентичными друг другу. Это затрудняет проведение экспериментов и разработку инструментов квантовой информатики.

В Университете штата Мэриленд (США) на поверхности кремниевого чипа создали два круговых волновода. Фотоны в них вращаются по и против часовой стрелки. В итоге получился сверхминиатюрный источник квантового света. Получаемые пары фотонов почти идеальны с точки зрения их квантовых свойств. Немаловажно и то, что кремниевые петли позволяют генерировать пары при комнатной температуре, что также позволяет быстро и дешево исследовать взаимодействие света с различными материалами. А глубокое знание механизмов этих процессов позволит быстрее создавать оптоэлектронные технологии и развивать квантовую информатику.