Учёные представили новый оптический транзистор, который в 1000 раз быстрее обычного

Переход на оптические транзисторы, которые используют для переключения свет и даже одиночные фотоны, обещает тысячекратно повысить скорость работы процессоров без повышения энергозатрат. Сегодня учёные ищут оптимальные условия для работы таких транзисторов. Достаточно далеко по этому пути прошли учёные из Сколтеха и IBM, которые предложили физику и технологию переключений состояний оптических коммутаторов.

Сами по себе фотоны пренебрежимо слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Чтобы фотоны могли переключать состояния транзистора необходимо создать им такую среду, в которой взаимодействие с фотонами носило бы сильный характер. Исследователи из Сколтеха и IBM годами шли к этой цели и добились значимых результатов. Промежуточные результаты выглядели скромно, но сегодня они помогли сформировать представление о том, как может выглядеть оптический транзистор будущего.

Новая структура оптического транзистора строится вокруг полимерного оптического резонатора, зажатого с двух сторон неорганическим материалом с высокими светоотражающими свойствами. Структура управляется двумя лазерными лучами — контрольным и накачки. Контрольный луч может оперировать малым числом фотонов вплоть до одного, что создаёт основу для предельной энергоэффективности (что может быть экономичней одного фотона?). Задача контрольного луча — подготовить в резонаторе условия перед запуском луча накачки, который, в свою очередь, переведёт транзистор в состояние 0 или 1.

Более сильный луч накачки возбуждает в резонаторе так называемые экситон-поляритоны — гибридные состояния света и вещества с очень малым временем жизни. Это квазичастицы, образующиеся при взаимодействии фотонов и других квазичастиц — экситонов. Экситоны же представлены электронным возбуждением в среде, в частности, обычными связанными парами электрона и дырки. Составные квазичастицы из фотонов и экситонов называются экситон-поляритонами. Запуск в структуру резонатора контрольного луча обеспечивает большее или меньшее количество экситон-поляритонов. Если этих составных квазичастиц больше, транзистор переводится в состояние 1, если меньше — в 0.

Чуть подробнее о процессе можно прочесть в официальном пресс-релизе. Статья о работе опубликована в журнале Nature. В отдалённой перспективе работа может привести к появлению оптических процессоров с транзисторами со скоростью переключения от 100 до 1000 раз большей, чем сегодня. При этом уровень тепловыделения будет сведён к незначительным величинам, что вовсе не потребует систем охлаждения при работе в условиях комнатных температур.