Что, если заменить ток на «жидкий свет»? Мы получим компьютер, который думает в 10 000 раз быстрее нынешних

Немецкие физики представили сверхбыстрый оптический переключатель, который работает примерно в 10 000 раз быстрее современных электронных транзисторов. Устройство создали исследователи из Университета Ольденбурга, где давно занимаются физикой ультракоротких световых процессов. По сути, речь идёт об оптическом транзисторе, то есть элементе, который управляет не электрическим током, а световым потоком. Подобные системы рассматриваются как основа для оптической обработки данных, где информация передаётся и переключается не с помощью электронов, а фотонов.

Прототип представляет собой наноструктурированный активный метаматериал, собранный из серебра и атомарно тонкого полупроводникового слоя. Конструкция способна управлять светом на временных масштабах, измеряемых фемтосекундами, то есть квадриллионными долями секунды. Для понимания масштаба: одна фемтосекунда равна одной миллионной миллиардной секунды. Именно на таких интервалах устройство способно менять отражательную способность поверхности, фактически выполняя функцию оптического переключателя.

Исходной задачей команды было найти материал, отражение которого можно менять за считаные фемтосекунды с помощью сфокусированного лазерного импульса. В качестве основы исследователи использовали ультратонкую серебряную наноструктуру с системой микроскопических щелей. Затем на её поверхность с помощью нанолитографии нанесли сетку параллельных борозд. Каждая из них имела ширину и глубину около 45 нанометров, то есть примерно 45 миллиардных долей метра. Такая геометрия позволяла управлять поведением света на масштабах, сравнимых с длиной волны излучения.

Дальше в работу подключились учёные из Кембриджского университета. Они покрыли поверхность этой структуры монослоем полупроводникового кристалла дисульфида вольфрама толщиной всего в 3 атома. Сам по себе ни серебряный наномассив, ни атомарно тонкий полупроводник не обладают эффектом сверхбыстрого переключения. Однако в объединённом виде они образовали гибридную наноструктуру, которая и проявила необычные свойства.

При взаимодействии со светом в таком материале возникает особое квантовое состояние, называемое экситон-плазмонным поляритоном. Попадающий на поверхность свет не отражается сразу, а на короткое время задерживается внутри структуры примерно на 70 фемтосекунд. В этот момент энергия света переходит в смешанное состояние, сочетающее свойства электромагнитной волны и материи. Вдоль поверхности полупроводника энергия распространяется в виде плазмонных волн, которые активно взаимодействуют с экситонами, связанными парами электрон–дырка внутри кристаллической решётки.

Именно на этой фазе учёные получили возможность управлять процессом. С помощью внешнего лазерного импульса они меняли силу взаимодействия между плазмонами и экситонами, что приводило к изменению отражательной способности поверхности. В первых экспериментах яркость отражённого света удавалось менять примерно на 10%. По сути, это и есть работа оптического переключателя: устройство не просто пропускает или блокирует свет, а тонко регулирует его параметры за доли триллионной доли секунды.

Для изучения происходящих процессов команда применила двумерную электронную спектроскопию. Этот метод позволяет отслеживать квантовые взаимодействия с временным разрешением в несколько фемтосекунд, практически наблюдая эволюцию состояний в реальном времени. В рамках эксперимента учёные использовали световые импульсы, которые были короче самого процесса переключения. Это дало возможность напрямую увидеть динамику переходов внутри метаматериала, что ранее в подобных структурах не удавалось реализовать.

Практическое значение таких разработок связано с будущим оптических вычислений. Сверхбыстрые световые переключатели потенциально способны резко увеличить объём данных, передаваемых за единицу времени. Для сравнения, электронные транзисторы, которые сегодня стоят в компьютерах, телевизорах и другой технике, работают на временных масштабах, которые примерно в 1 000 раз медленнее. Переход от электроники к фотонике открывает путь к системам, где скорость обработки информации будет ограничиваться не движением зарядов в проводниках, а фундаментальными свойствами света.