В основе устройства — структура из одноатомных полупроводников и сверхмалого нанорезонатора. Само переключение происходит с помощью света — за счет изменения экситонных состояний в каждом из двух слоев полупроводника. Благодаря суперкомпактному размеру (около 10 нанометров в длину и 1,5 нанометров в толщину) устройство можно реализовать на чипе — как логический элемент в вычислительных устройствах для оптической обработки информации. Исследование проведено в коллаборации с Пхоханским университетом науки и технологии (Южная Корея). Статья опубликована в журнале ACS Nano.

Василий Кравцов и Татьяна Иванова, соавтор статьи. Фото: Екатерина Пухтина.

Однослойные полупроводники (то есть толщиной около атома) — относительно новый класс материалов, их свойства активно изучаются последние 10 лет. Но ученые уже говорят о большом потенциале этих материалов как базы для оптических технологий обработки информации (контроллеров, компьютеров, средств коммуникации и так далее). Главные преимущества таких технологий — сверхвысокая скорость и пониженное энергопотребление, ведь свет распространяется гораздо быстрее и эффективнее, чем заряженные частицы в веществе.

Замена современных электронных чипов на оптические может стать серьезным технологическим скачком, но для этого существуют определенные физические ограничения. Чтобы оптические элементы, в частности, переключатели, могли быть интегрированы друг с другом на микрочипе, они должны быть сильно меньше длины световой волны видимого диапазона (это примерно 380—760 нанометров). То есть необходимо создать структуру размером не более сотни нанометров — чем меньше, тем лучше.

Именно это удалось сделать ученым Нового физтеха ИТМО — размер их оптического переключателя не превышает 10 нанометров по всем трем направлениям, что в сто раз меньше длины световой волны.

Как всё устроено

Устройство работает на основе эффекта плазмонного резонанса. Два наложенных друг на друга однослойных полупроводника (толщиной всего 3 атома) помещаются в нанорезонатор из золотых частиц (размером от 5 до 10 нанометров). В каждом слое экситоны (квазичастицы с электронным возбуждением, но не переносящие свой электрический заряд) распределены особым образом. Но если такую структуру облучить светом с определенным фазовым фронтом, то экситоны формируются либо по краям, либо в центре плазмонного нанорезонатора. Переключение экситонных состояний соответствует двум логическим фазам: 0 и 1.

Как отмечают авторы работы, такие сверхкомпактные переключатели ранее не исследовались:

«Идея переключения между разными экситонными состояниями — сама по себе новая. Плюс в конструкции мы использовали новые двумерные полупроводниковые гетероструктуры  в комбинации с плазмонным резонатором — раньше так никто не делал. Но именно это позволило нам уменьшить в 100 раз размер переключателя», — рассказывает автор исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Василий Кравцов.  

Перспективы

Предложенное учеными устройство довольно просто изготовить — как отмечает Василий Кравцов, отщеплять монослои от объемного кристалла полупроводника могут даже школьники. Но дальше встает вопрос масштабируемости: таким способом нельзя получить образцы размером даже в 1 сантиметр, максимум — несколько сотен микрон. Ведущие мировые технологические компании пытаются создать монослои большего размера и при этом высокого качества, но пока что об успешности этих попыток никто не объявлял.   

Сами физики ИТМО планируют сосредоточиться не на масштабируемости, а на улучшении свойств переключателя. Во-первых, увеличить точность переключения — пока что она не превышает 90%. Решить эту проблему исследователи собираются за счет перебора различных дизайнов и геометрий резонатора.

Во-вторых, ученым интересно создать систему не из двух, а из трех слоев — то есть с переключением между несколькими различными экситонными состояниями. И в-третьих, есть возможность сделать переключение еще и сверхбыстрым — например, если облучать структуру фемтосекундным лазером.

Исследование поддержано программой Минобрнауки РФ «Приоритет-2030», а также грантами РНФ (21-72-10100 и 22-72-10047).

Статья: Yeonjeong Koo, Hyeongwoo Lee, Tatiana Ivanova, Roman S. Savelev, Mihail I. Petrov, Vasily Kravtsov, Kyoung-Duck Park. Nanocavity-Integrated van der Waals Heterobilayers for Nano-excitonic Transistor (ACS Nano, 2023).

Екатерина Шевырёва

Журналист