Учёные из Университета Монаша собрали наночип, который умеет создавать, направлять и считывать световые сигналы с квантовой информацией. Вся цепочка работает на одном компактном устройстве: сигнал рождается внутри чипа, проходит по заданному маршруту, а затем превращается в электрический отклик. Для долинной электроники, или valleytronics, такой результат закрывает давнюю техническую проблему.
Долинная электроника пытается использовать для вычислений не только заряд электрона, как обычная электроника, и не только спин, как спинтроника. В некоторых кристаллических материалах у электронов есть ещё один полезный параметр: долинная степень свободы. Слово «долина» здесь относится не к форме материала, а к структуре энергетических состояний внутри кристалла. Упрощённо говоря, электрон может находиться в разных энергетических долинах, и эти состояния можно использовать для кодирования информации.
До сих пор у области был узкий проход между физическим эффектом и реальным устройством. Учёные могли генерировать долинные сигналы или регистрировать их, но полноценная схема на одном чипе оставалась сложной задачей. Команда Школы физики и астрономии Университета Монаша показала систему, где все основные операции собраны вместе: чип создаёт специальные световые сигналы, ведёт их в нужном направлении и считывает результат.
Работа опубликована в Nature Photonics. Ведущий автор исследования доктор Чи Ли объясняет, что новая схема устраняет ключевое ограничение, которое долго мешало развитию долинной электроники. Раньше отдельные элементы можно было показать в лаборатории, но собрать генерацию, маршрутизацию и детектирование в одном интегрированном устройстве не удавалось. Теперь исследователи получили чиповую систему, которая выполняет всю последовательность с высокой точностью.
В основе устройства лежит сочетание ультратонких материалов и наноструктур, управляющих светом на очень малых масштабах. Ультратонкие материалы имеют толщину всего в несколько атомов, поэтому квантовые свойства в них проявляются особенно заметно. Наноструктуры рядом с ними работают как миниатюрная оптическая архитектура: они меняют направление, поляризацию и другие параметры света так, чтобы сигнал можно было направлять и читать внутри чипа.
Соавтор работы доктор Кайцзянь Син рассказал, что команда использовала послойное совмещение ультратонких материалов с метаповерхностями. Метаповерхности можно представить как плоские наноструктуры, которые управляют светом лучше обычной оптики на таких размерах. Такой способ помогает обойти трудность прямого выращивания материала на фотонных структурах. Вместо сложного и капризного синтеза исследователи аккуратно совмещают готовые слои и получают рабочую гибридную систему.
Важная деталь: устройство работает при комнатной температуре. Для квантовых технологий это не мелочь. Многие экспериментальные системы требуют сильного охлаждения, иногда почти до абсолютного нуля, а значит нуждаются в дорогом и громоздком оборудовании. Чип из Университета Монаша не зависит от экстремального охлаждения, поэтому выглядит ближе к практическим фотонным устройствам, которые можно масштабировать и встраивать в реальные системы.
Старший автор работы доктор Хаожань Жэнь, руководитель Monash NanoMeta Group и научный сотрудник ARC Future Fellow, связывает результат с новым классом компактных программируемых фотонных устройств. В таких системах информацию обрабатывает не электрический ток, а свет. Потенциально это может дать выигрыш в скорости, энергоэффективности и плотности передачи данных, хотя до готовых коммерческих решений ещё предстоит пройти большой путь.
Самая наглядная демонстрация связана с изображениями. Исследователи закодировали и обработали два разных изображения одновременно на одном устройстве. Такой опыт показывает, что чип может работать с несколькими потоками информации сразу. Для долинной электроники это особенно важно: разные долинные состояния позволяют разделять каналы обработки данных, не увеличивая устройство до громоздкой лабораторной установки.
Авторы считают, что технология может пригодиться в квантовых вычислениях, продвинутой визуализации, защищённой связи и оптических коммуникационных системах нового поколения. Речь не о немедленной замене обычных процессоров, а о строительных блоках для будущих устройств, где свет и квантовые свойства материалов помогают кодировать, передавать и обрабатывать данные иначе, чем в классической электронике.