Создана световая память
Какой бы быстрой ни была современная электроника, ее производительность могла бы быть еще выше, если бы операции выполнялись с помощью света, а не электричества. Волоконно-оптические кабели уже передают информацию со скоростью света, но для обработки этих данных без преобразования обратно в электрические сигналы потребуется множество новых оптических компонентов.
В Инженерном колледже Джона и Марсии Прайс Университета Юты создано такое устройство: его можно настраивать в реальном времени, придавая свету различную степень круговой поляризации. Поскольку свет способен сохранять информацию в своих хиральных свойствах, разработка может стать многофункциональным перестраиваемым компонентом оптической вычислительной системы. Подробнее она описана в журнале Nature Communications.
«Традиционная хиральная оптика была как резной камень — красивая, но застывшая. Это делало ее бесполезной для приложений, требующих управления в реальном времени, например, для перестраиваемых оптических вычислений или адаптивных сенсоров», — пояснил доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Вэйлу Гао. «Мы создали "живую" оптическую материю, которая меняется под воздействием электрических импульсов. Это стало возможным благодаря гетероструктуре из выровненных углеродных нанотрубок и материала с фазовым переходом, которая объединяет управление светом и память в единой масштабируемой платформе», — добавил аспирант Цзичао Фань из лаборатории Гао.
Эта гетероструктура состоит из нескольких тонких пленок, включая слой выровненных углеродных нанотрубок с разной ориентацией. Другие слои содержат GST (GeSbTe — германий-сурьма-теллур) — известный материал с фазовым переходом (PCM). Электрический импульс, пропускаемый через слой углеродных нанотрубок, нагревает их, что, в свою очередь, приводит к переходу внутренней структуры PCM-слоя из аморфного состояния в кристаллическое.
«Углеродные нанотрубки одновременно выступают в роли хиральных оптических элементов и прозрачных электродов для переключения PCM, устраняя необходимость в отдельных управляющих компонентах», — сказал Фань.
Особенно важно то, что это изменение влияет на круговой дихроизм гетероструктуры, а значит, ее можно настроить на поглощение разных типов света круговой поляризации с разной интенсивностью. Изобретатели сумели объединить эти слои в единую структуру без ухудшения оптических свойств.
Собранная структура избирательно уменьшает интенсивность проходящего через нее света с левой или правой круговой поляризацией в зависимости от состояния PCM-слоя. А поскольку фазовый переход можно инициировать электрическим импульсом, общий круговой дихроизм устройства можно регулировать в реальном времени. Исследователям удалось добиться этого на уровне пластины с перспективой масштабирования при выходе на серийное производство.
Возможность изменять круговой дихроизм устройства дает ученым точный контроль над направлением круговой поляризации света, а значит, его «хиральность» можно использовать как память в оптической схеме.
Помимо преимущества света перед электричеством в скорости, у него есть и другие свойства для параллельного хранения информации, заключил Гао: «Добавляя круговой дихроизм как независимый параметр, мы создаем ортогональный информационный канал. Его настройка не влияет на другие свойства, такие как амплитуда или длина волны».
Прототипы новой фотоники уже работают в лабораторных условиях, дальнейшими шагами будут их миниатюризация, оптимизация энергопотребления и повышение надежности многократных переключений.
