Os principais grupos de pesquisa no campo da nanofotônica estão trabalhando para desenvolver transistores ópticos - componentes essenciais para futuros computadores ópticos. Esses dispositivos irão processar informações com fótons em vez de elétrons, reduzindo assim o calor e aumentando a velocidade de operação. Contudo, fótons não interagem bem uns com os outros, o que cria um grande problema para os engenheiros de microeletrônica. Um grupo de pesquisadores da ITMO University, junto com colegas, chegaram a uma nova solução para este problema, criando um sistema planar onde os fótons se acoplam a outras partículas, o que permite que eles interajam uns com os outros. O princípio demonstrado em seu experimento pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de futuros transistores ópticos. Os resultados do seu trabalho são publicados em Light:Ciência e Aplicações .

Os transistores funcionam graças ao movimento controlado dos elétrons. Esta abordagem tem sido usada há décadas, mas tem várias desvantagens. Primeiro, dispositivos eletrônicos tendem a esquentar quando executam uma tarefa, o que significa que parte da energia é desperdiçada como calor e não usada para o trabalho real. Para controlar o aquecimento, dispositivos são equipados com elementos de cooing, assim, desperdiçando ainda mais energia. Segundo, dispositivos eletrônicos têm uma velocidade de processamento limitada. Alguns desses problemas podem ser resolvidos usando fótons em vez de elétrons. Dispositivos que usam fótons para codificação de informações produziriam menos calor, requerem menos energia, e trabalhar mais rápido.

Assim, cientistas em todo o mundo estão conduzindo pesquisas na área de computadores ópticos. Contudo, o principal problema é que os fótons, ao contrário dos elétrons, não interajam uns com os outros. Assim, os pesquisadores sugeriram métodos para "treinar" os fótons para interagir uns com os outros. Uma ideia é acoplar fótons a outras partículas. Um grupo de pesquisadores do Departamento de Física e Engenharia da ITMO, junto com colegas, demonstraram uma nova implementação na qual fótons se acoplam a excitons em semicondutores de camada única. Excitons se formam em semicondutores quando os elétrons são excitados, deixando para trás ligações de valência vazias (ou buracos de elétrons, como os físicos os chamam). Tanto o elétron quanto seu buraco podem interagir um com o outro, criando uma nova partícula - um exciton, que por sua vez pode interagir com outros excitons.

"Se acoplarmos fortemente excitons a partículas leves, teremos polaritons, "explica Vasily Kravtsov, um importante pesquisador da ITMO University e um dos co-autores do artigo. "Estes são parcialmente leves, o que significa que eles podem ser usados ​​para transferir informações muito rapidamente; mas ao mesmo tempo, eles podem interagir muito bem entre si. "

Criar um transistor baseado em polariton não é simples. Os pesquisadores precisam projetar um sistema no qual essas partículas possam existir por tempo suficiente, mantendo sua alta força de interação. Nos laboratórios do Departamento de Física e Engenharia da ITMO, polaritons são criados com a ajuda de um laser, um guia de ondas e uma camada semicondutora de disseleneto de molibdênio extremamente fina. Uma camada semicondutora de três átomos de espessura é colocada em um guia de onda nanofotônico com uma rede precisa de ranhuras muito finas gravadas em sua superfície. Depois disso, ele é iluminado com um laser vermelho para criar excitons no semicondutor. Esses excitons acoplam-se a partículas de luz, criando polaritons, que estão presos no sistema.

Polaritons obtidos desta forma não existem apenas por períodos de tempo relativamente longos, mas também tem não linearidade extra alta, o que significa que eles interagem ativamente uns com os outros.

"Isso nos aproxima da criação de um transistor óptico, como agora temos uma plataforma plana com menos de 100 nanômetros de espessura, que pode ser integrado em um chip. Como a não linearidade é bastante alta, não precisaríamos de um laser poderoso - uma pequena fonte de luz vermelha será suficiente, que também pode ser integrado ao chip, "diz Vasily Kravtsov.

No momento, o estudo continua, já que os pesquisadores têm que demonstrar a eficiência de seu sistema em temperatura ambiente.