Наноструктура зі срібла й атомарно тонкого напівпровідникового шару дисульфіду вольфраму може бути перетворена на надшвидкий перемикальний дзеркальний пристрій, який може функціонувати як оптичний транзистор - зі швидкістю перемикання приблизно в 10 000 разів швидше, ніж в електронного транзистора. Міжнародна група дослідників на чолі з професором фізики з Університету Ольденбурга Крістофом Лієнау описує цей ефект у статті, опублікованій у поточному номері журналу Nature Nanotechnology. Надшвидкі світлові перемикачі відкривають цікаві перспективи для оптичної обробки даних, пояснюють дослідники.
Метою команди було знайти матеріал, відбивні властивості якого можна було б змінювати, або «перемикати» протягом кількох фемтосекунд за допомогою сильно сфокусованого лазерного променя. Одна фемтосекунда дорівнює одній мільйонній частці мільярдної секунди. Для своїх експериментів дослідники використовували ультратонку срібну "матрицю нанощілин", на поверхні якої вони виточили сітку паралельних канавок шириною та глибиною приблизно 45 нанометрів (або мільярдних часток метра). Потім члени дослідницької групи з Кембридзького університету (Великобританія) нанесли на поверхню цієї структури моношар напівпровідникового кристала дисульфіду вольфраму товщиною всього три атоми.
У цій комбінації наноструктура продемонструвала незвичайну реакцію на світ: «Особливо жоден із двох матеріалів не виявляє ефекту перемикання», — пояснює Лієнау. Однак при об'єднанні в гібридну наноструктуру вони реагують на світ по-різному, перетворюючись на те, що відомо як «активний метаматеріал». Світло, що потрапляє на поверхню наноструктури, може зберігатися в гібридному квантовому стані, відомому як екситон-плазмонний поляритон, протягом приблизно 70 фемтосекунд, перш ніж він відобразиться. У цьому стані, що виявляє властивості як світла, так і матерії, світло поширюється поверхнею напівпровідникового шару у вигляді плазмонних хвиль, викликаючи сильну взаємодію з пов'язаними електронно-дірковими парами напівпровідникового шару - екситонами.
"Під час цієї фази зберігання нам вдалося контролювати відбивну здатність цього шару", - говорить доктор Даніель Тіммер з Інституту фізики Ольденбурзького університету, провідний автор дослідження разом з доктором Моріцем Гіттінгером. Дослідники використовували зовнішній лазерний імпульс, щоб змінити силу взаємодії між екситонами й плазмонними хвилями. Вже в перших експериментах їм вдалося змінити яскравість відбитого світла на 10 відсотків — напрочуд високе значення, яке потенційно може бути ще більшим шляхом оптимізації матеріалів.
Тіммер та Гіттінгер досліджували цей ефект за допомогою двомірної електронної спектроскопії (2DES). Ця складна методика дозволяє вченим спостерігати квантово-фізичні взаємодії з часовим дозволом лише у кілька фемтосекунд, начебто вони дивилися фільм. Група дослідників під керівництвом Лієнау нещодавно розробила спосіб спрощення процедури 2DES і, таким чином, розширення її застосування в інших сферах. «У поточному дослідженні ми вперше змогли вивчити метаматеріал, використовуючи світлові імпульси, які були коротшими за процес перемикання, що спостерігається», — пояснює Лієнау. Таким чином, вчені змогли зареєструвати різні етапи явища з інтервалами лише у декілька фемтосекунд.
"Наші результати становлять особливий інтерес, якщо ми хочемо створити надшвидкі світлові перемикачі на нанорозмірному рівні", - говорить Лієнау, вказуючи на область оптичної обробки даних як на потенційну область застосування. "За допомогою таких перемикачів обсяг інформації, що передається за одиницю часу, значно збільшиться". Для порівняння, час перемикання електронних транзисторів, що використовуються в цей час у мільйонах комп'ютерів та світлодіодних телевізорах, приблизно в тисячу разів більше. З погляду фізики, оптичні технології, отже, є єдиним способом подальшого збільшення тактової частоти звичайних комп'ютерів, пояснює Лієнау, додаючи, що надшвидкі світлові перемикачі на нанорозмірному рівні можуть відкрити цікаві можливості для виробництва мікросхем, оптичних датчиків або квантових комп'ютерів. «Головне завдання полягатиме в розробці, створенні та оптимізації активних метаматеріалів таким чином, щоб уможливити ці додатки», — наголошує він.
