Энергия без электричества

Физики ИТМО и Академического университета им. Ж. И. Алферова разработали устройство, которое может применяться как транзистор для оптического компьютера. Разработка позволяет без использования электрических проводников создавать электрическое поле в наноструктуре. Ученые смогли не только теоретически описать этот процесс, но и экспериментально продемонстрировать его в наноантенне.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Транзисторы, крошечные полупроводниковые приборы, которые нужны для управления электронным потоком, содержащим в себе информацию, каждый год становятся все меньше и энергоэффективнее. Во многом именно от них зависят мощность и скорость работы любой техники, в том числе компьютеров и смартфонов. Однако ученые и инженеры почти достигли фундаментальных пределов по их улучшению. Увеличить производительность устройств можно с помощью перехода от электронов к частицам света (фотонам). Фотоны — идеальный инструмент для передачи информации: свет может переноситься на десятки и сотни километров практически без затухания и искажений. Поэтому создание оптического компьютера — это уже давно не просто научный интерес, а необходимость.

«Для разработки оптического компьютера нужно заменить каждую часть обычного ПК на оптический аналог. Мы смогли сделать в некотором смысле строительный кирпичик будущего оптического чипа — наноструктуру, которая может использоваться как конденсатор или даже транзистор. С ее помощью можно в том числе управлять потоком фотонов: например, менять интенсивность или направление излучения. Также в нашей наноструктуре удалось сгенерировать постоянное электрическое поле, причем только за счет света, без использования электродов или дополнительных электрических систем»,— рассказывает Яли Сунь, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО.

Миниатюризация — это еще одна из задач, которую старались решить ученые: чем меньше структура, тем больше потенциальных транзисторов можно поместить на единице площади, то есть тем мощнее будет готовое устройство. Наличие оптических резонансных свойств и объединение двух материалов в единой наносистеме позволили ученым создать в ней статическое электрическое поле под действием лазерного излучения и таким образом обойтись без электродов. Ранее этот эффект удавалось продемонстрировать только в громоздких системах — например, в объемном кремнии.

«По форме наша наноструктура напоминает шахматную пешку — сферу, погруженную в усеченный конус. Наши исследования на наноструктурах с разной геометрией показали, что именно такая форма лучше всего подходит для генерации электрического поля. Наноструктура включает в себя материалы, которые широко применяются в микроэлектронике,— кремний и золото. Как она работает: мы светим на нее лазером и формируем электрическое поле в полупроводнике, которое изменяет оптический отклик наносистемы. То есть выходным излучением такой наноструктуры можно управлять за счет света. Это важно для фотон-фотонного взаимодействия. Результаты помогут в создании оптических компьютеров, где все процессы будут выполняться только за счет фотонов»,— поясняет Артем Ларин, соавтор проекта, инженер физического факультета ИТМО.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

По словам Дмитрия Зуева, научного руководителя проекта, старшего научного сотрудника физического факультета ИТМО, самым сложным в исследовании было описать экспериментальные результаты теоретическими расчетами, так как теория объясняет идеальный случай без учета множества факторов. Дальше физики планируют провести эксперименты с другими геометриями, чтобы упростить технологию создания таких наносистем.

Дмитрий Зуев, старший научный сотрудник физического факультета ИТМО, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— Известные на сегодня альтернативные источники питания могут преобразовывать энергию ветра, воды или солнца. Ваша наноструктура устроена по-другому? Расскажите как.

— Нашу наноструктуру не совсем корректно сравнивать именно с источниками питания, так как электрическое поле в нашем случае создается ультракороткими лазерными импульсами на небольшой момент времени. Гипотетически поле с такой напряженностью могло бы быть сформировано при освещении солнечного элемента миллионом солнц (что, конечно, привело бы к разрушению солнечного элемента), но так как в нашей наноструктуре поле живет недолго, то она не разрушается. Поэтому разработанную нами систему логичнее использовать не для хранения энергии, а для быстрой модуляции оптических сигналов в перспективных системах связи и передачи информации.

— Что такое оптический компьютер? Зачем надо его создавать? Чем он будет лучше обычного «электрического»?

— Элементная база обычного компьютера представляет собой набор пассивных и активных компонент — проводов, по которым бегут электроны, и транзисторов, которые выполняют логические операции. Теперь давайте заменим такую элементарную частицу, как электрон, на фотон и для него реализуем элементную базу ранее указанных компонент. В таком случае обычный ПК превращается в ультрасовременный оптический компьютер прямиком из научной фантастики. Таким образом, оптический компьютер — вычислительное устройство, где информация передается и обрабатывается с помощью операций над потоком фотонов.

Переход от «электрического» компьютера к оптическому вызван прежде всего необходимостью увеличения скорости и объема обработки-передачи информации. В настоящее время для электрических компьютеров эта задача решается миниатюризацией электронных компонентов. Такой подход рано или поздно столкнется с фундаментальными физическими ограничениями, прежде всего связанными с нагревом. Компьютеры на основе оптических чипов позволят избежать не только этой проблемы, но и сопутствующих расходов, связанных с охлаждением вычислительных систем. При этом оптические компьютеры будут проводить расчеты на порядок быстрее, поэтому они найдут свое применение для решения сложных параметрических задач и обработки больших объемов данных за короткое время.

— Сможет ли подобный прибор работать совсем без электричества?

— Если говорить о замене электронов на фотоны при использовании существующей архитектуры компьютера, то нужно учитывать, что источники оптического излучения все равно питаются от электричества. Конечно, если пофантазировать, то можно предположить, что для работы оптического компьютера можно использовать солнечное излучение, которое при этом все равно надо будет предварительно подготовить (сделать когерентным, а также выделить определенную длину волны излучения). Однако в этом случае устройство потеряет свою автономность, ведь, когда зайдет солнце, устройство отключится. Но если серьезно, чтобы оптическое вычислительное устройство работало, нужен источник излучения, который работает без перебоев целый день. Поэтому в настоящее время реалистичной кажется концепция гибридной системы, когда источники излучения питаются от розетки, а все логические операции, работа с оптическими аналогами элементов памяти будут реализованы при помощи оптических сигналов.

— Для чего еще в будущем можно будет использовать технологии, основанные на фотонах?

— Технологии связи, основанные на фотонах, знакомы каждому из нас — оптоволоконный интернет доступен практически в каждом доме. При этом будущие области применения фотонных и особенно нанофотонных технологий гораздо шире. В ведущих мировых лабораториях ведутся исследования по устранению раковых опухолей с помощью специально подготовленных наночастиц, которые при облучении светом позволяют селективно уничтожать злокачественные клетки. Также наночастицы, взаимодействующие с фотонами, применяются для создания высокочувствительных оптических биосенсоров, управления химическими реакциями, создания сверхзащищенных меток для борьбы с подделкой товаров и т. д. Несмотря на то что такие технологии только начинают выходить из лабораторий, у них действительно большое будущее, и в перспективе они смогут сильно изменить нашу жизнь.

— Как, на ваш взгляд, будет развиваться эта технология в дальнейшем?

— Если возвращаться к вопросу оптических компьютеров, то очевидное развитие этого направления — замена существующих электрических компонент вычислительных устройств на фотонные, а также их последующее объединение на едином оптическом чипе — аналоге существующих процессоров. Сейчас можно предположить, что в дальнейшем для решения задач, где большой объем обрабатываемой информации и скорость критичны, будут использоваться оптические компьютеры, в то время как традиционные электронные компьютеры будут применяться для персонального использования. Однако история показывает, как прогнозы о бесперспективности телефонов и компьютеров для домашнего использования, которые дал ряд экспертов на заре этих технологий, потерпели неудачу. Поэтому реальность, к которой приведет дальнейшая эволюция фотонных технологий, может превзойти даже очень смелые предположения.

Использованы материалы статьи.

Подготовила Мария Грибова