超快全光晶体管的新候选人—硅纳米颗粒

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物理学家们已经用实验证实了设计一个基于单个硅纳米颗粒的光学晶体管的可行性，研究结果将对光学计算机的发展影响深远。

超快全光晶体管的新候选人—硅纳米颗粒

ITMO大学纳米光电与超材料系的物理学家们已经用实验证实了利用单个硅纳米颗粒而制得的晶体管用于设计光学模拟的可行性。因为晶体管是计算电路中一些最基本的组分，此项研究成果对光学计算机的发展至关重要，在这种计算机中晶体管必须同时满足超小和超快。


现代计算机用电子作为信号载体，速度在很大程度上受激发晶体管所需时间的限制——通常约为0.1至1纳秒。然而，下一代光学计算机利用光子携带有用信号，这极大地增加了每秒通过晶体管的信息量。因此，超快且紧凑的全光晶体管的制备是光学计算机发展的关键。这种纳米器件能使科学家们在几皮秒内利用外部控制光束来控制光信号束的传播。


在这项研究中，来自ITMO大学，列别捷夫物理研究所和圣彼得堡大学的俄罗斯科学家们提出了一种全新的方法来设计这样的光学晶体管，并仅用一个硅纳米颗粒制得原型。


科学家们发现他们能用强烈且超短的激光脉冲辐射来极大地改变硅纳米颗粒的性质。因此，将激光作为控制束，提供由密集快速的重组电子空穴等离子体所引起的光激励，它的存在能在几皮秒内改变硅的介电常数。入射光受到纳米颗粒的散射，因而这些粒子光学性质的突变使控制方向成为可能。例如，纳米颗粒散射的方向依靠入射控制激光束强度的不同在皮秒的尺度上就可发生从后至前的改变。超快开关的概念对设计全光晶体管意义深远。


一般情况下，该领域研究人员的关注焦点是通过控制纳米粒子的吸收来设计纳米尺度的全光晶体管，从本质上讲，这是完全合乎逻辑的。高吸收模式下，光信号被纳米粒子吸收无法通过，不在该模式下光可经由纳米颗粒传播。然而，此方法不会产生任何决定性结果。该研究的第一作者，纳米光学和超材料系高级研究员Sergey Makarov解释说：“我们的想法是不同的，我们不控制纳米颗粒的吸收性质而是控制它的散射图。比如说，纳米颗粒通常向后方散射几乎所有的入射光，但我们一旦辐照一个控制脉冲，它便重新配置并开始向前散射光线。”


将硅作为光学晶体管的材料并非偶然。要求使用廉价的材料创造一个光学晶体管，它既能大规模生产又同时能在不过热的条件下几皮秒内改变自身的光学性质。


“使我们的纳米颗粒无效仅需要几皮秒，而同时激活它则不超过数十飞秒。现在，我们已有实验数据清楚地表明单个硅纳米粒子能够作为一种全光晶体管。目前我们正在计划进行新的实验，在激光控制束下，引进一个有用的信号光束。”Pavel Belov总结道，他是该篇论文的合著者，也是纳米光电和超材料系的领头人。