Физики из Билефельдского университета и Дрезденского института исследований твердого тела и материалов имени Лейбница нашли способ управлять полупроводниками толщиной в один атом с помощью невероятно коротких световых импульсов. Их работа открывает дорогу к созданию компонентов, которые с немыслимой скоростью подчиняются командам света, и это может стать основой для совершенно новых оптоэлектронных устройств.

Подробности опубликованы в издании Nature Communications.

Ученые использовали особые наноантенны, которые преобразуют терагерцевое излучение в мощные вертикальные электрические поля прямо внутри сверхтонкого материала, например, дисульдида молибдена. Терагерцевые волны занимают промежуточное положение между инфракрасным светом и микроволнами. Благодаря новой конструкции антенн эти поля достигают чудовищной силы в миллионы вольт на сантиметр.

Обычно такие поля, которые используются, скажем, для переключения транзисторов, создают с помощью электрических затворов, но этот метод в принципе ограничен в скорости, — поясняет руководитель проекта, профессор Дмитрий Турчинович из Билефельдского университета. — Наш подход иной: мы используем сам терагерцевый свет, чтобы генерировать управляющий сигнал внутри материала. Это позволяет создать совместимую с современной промышленностью, сверхбыструю технологию, управляемую светом, о которой раньше можно было только мечтать.

Новый метод позволяет в реальном времени менять электронную структуру материала за время меньше пикосекунды — то есть за одну триллионную долю секунды. В экспериментах ученые наглядно показали, как световые импульсы выборочно меняют оптические и электронные свойства полупроводника.

Основную идею, эксперименты и теоретическое обоснование разработали в Билефельдском университете. Ключевую роль в проекте сыграл доктор Томоки Хираока, ведущий автор статьи.

Было невероятно приятно наблюдать такой сильный и четкий эффект, вызванный исключительно терагерцевыми импульсами, — делится впечатлениями Томоки Хираока.

Сложные трехмерные наноантенны, необходимые для достижения этого эффекта, изготовили в Дрездене под руководством доктора Энди Томаса.

Нам потребовалась масса усилий, чтобы создать оптимальные устройства — мы производили и тестировали множество разных структур, пока не добились нужного результата, — рассказывает Энди Томас.

Эта разработка может привести к созданию:

• Сверхскоростных устройств для управления сигналами.
• Молниеносных электронных переключателей и датчиков.

Подобные компоненты являются сердцем систем передачи данных, камер и лазерных установок. Они найдут применение в самых разных областях.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости преодоления «бутылочного горлышка» современной электроники — ее скорости. Сегодня транзисторы управляются электрическим током, и у этого подхода есть физический предел. Переход на управление светом, особенно в таких тонких материалах, сулит прорыв. Представьте себе центры обработки данных, где серверы обмениваются информацией не электрическими сигналами по медным дорожкам, а световыми импульсами через оптические переключатели на чипе. Это радикально снизит энергопотребление и тепловыделение, одновременно увеличив пропускную способность в сотни раз. В перспективе это может привести к появлению процессоров и модулей памяти, работающих на частотах, которые сегодня кажутся фантастикой.

Основное замечание, которое неизбежно возникает к подобным прорывным работам, — это вопрос масштабируемости и технологической готовности. Пока что речь идет о контролируемом лабораторном эксперименте с использованием специально сконструированных наноантенн на единичных образцах. Ключевым вызовом станет разработка дешевых и надежных массовых технологий производства таких антенн и интеграции их с атомарно тонкими полупро-водниками в полноценные чипы. Сможет ли эта красивая физика выдержать суровые требования промышленного производства — большой вопрос, на который предстоит ответить в ходе дальнейших исследований.

Ранее ученые разработали новый полупроводник из четырех элементов.