Des groupes de recherche de premier plan dans le domaine de la nanophotonique travaillent au développement de transistors optiques, des composants clés pour les futurs ordinateurs optiques. Ces appareils traiteront l'information avec des photons au lieu d'électrons, réduisant ainsi la chaleur et augmentant la vitesse de fonctionnement. Cependant, les photons n'interagissent pas bien entre eux, ce qui crée un gros problème pour les ingénieurs en microélectronique. Un groupe de chercheurs de l'Université ITMO, avec des collègues, ont trouvé une nouvelle solution à ce problème en créant un système planaire où les photons se couplent à d'autres particules, ce qui leur permet d'interagir entre eux. Le principe démontré dans leur expérience peut fournir une plate-forme pour le développement de futurs transistors optiques. Les résultats de leurs travaux sont publiés dans Lumière :science et applications .

Les transistors fonctionnent grâce au mouvement contrôlé des électrons. Cette approche est utilisée depuis des décennies, mais il a plusieurs inconvénients. D'abord, les appareils électroniques ont tendance à chauffer lorsqu'ils effectuent une tâche, ce qui signifie qu'une partie de l'énergie est gaspillée sous forme de chaleur et n'est pas utilisée pour le travail réel. Pour contrôler le chauffage, les appareils sont équipés d'éléments de refroidissement, gaspillant ainsi encore plus d'énergie. Seconde, les appareils électroniques ont une vitesse de traitement limitée. Certains de ces problèmes peuvent être résolus en utilisant des photons au lieu d'électrons. Les appareils qui utilisent des photons pour le codage des informations produiraient moins de chaleur, nécessitent moins d'énergie, et travaillez plus vite.

Ainsi, des scientifiques du monde entier mènent des recherches dans le domaine des ordinateurs optiques. Cependant, le problème principal est que les photons, contrairement aux électrons, n'interagissez pas les uns avec les autres. Les chercheurs ont donc suggéré des méthodes pour « entraîner » les photons à interagir les uns avec les autres. Une idée est de coupler des photons avec d'autres particules. Un groupe de chercheurs du département de physique et d'ingénierie de l'ITMO, avec des collègues, ont démontré une nouvelle implémentation dans laquelle des photons se couplent à des excitons dans des semi-conducteurs monocouches. Les excitons se forment dans les semi-conducteurs lorsque les électrons sont excités, laissant des liaisons de valence vides (ou des trous d'électrons, comme les appellent les physiciens). L'électron et son trou peuvent interagir les uns avec les autres, créer une nouvelle particule - un exciton, qui à son tour peut interagir avec d'autres excitons.

"Si on couple fortement des excitons à des particules légères, nous aurons des polaritons, " explique Vasily Kravtsov, un chercheur de premier plan à l'Université ITMO et l'un des co-auteurs de l'article. "Ce sont en partie légers, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés pour transférer des informations très rapidement ; mais en même temps, ils peuvent très bien interagir les uns avec les autres."

Créer un transistor à base de polaritons n'est pas simple. Les chercheurs doivent concevoir un système dans lequel ces particules pourraient exister assez longtemps tout en conservant leur force d'interaction élevée. Dans les laboratoires du Département de physique et d'ingénierie de l'ITMO, les polaritons sont créés à l'aide d'un laser, un guide d'ondes et une couche semi-conductrice de diséléniure de molybdène extrêmement mince. Une couche semi-conductrice de trois atomes d'épaisseur est placée sur un guide d'ondes nanophotonique avec un réseau précis de très fines rainures gravées sur sa surface. Après ça, il est éclairé par un laser rouge pour créer des excitons dans le semi-conducteur. Ces excitons se couplent à des particules légères, créer des polaritons, qui sont piégés dans le système.

Les polaritons ainsi obtenus n'existent pas seulement pour des périodes de temps relativement longues, mais ont également une non-linéarité très élevée, ce qui signifie qu'ils interagissent activement les uns avec les autres.

"Cela nous rapproche de la création d'un transistor optique, comme nous avons maintenant une plate-forme plane de moins de 100 nanomètres d'épaisseur, qui pourrait être intégré sur une puce. Comme la non-linéarité est assez élevée, nous n'aurions pas besoin d'un laser puissant - une petite source de lumière rouge suffira, qui pourrait également être intégré sur la puce, " dit Vasily Kravtsov.

À l'heure actuelle, l'étude se poursuit, car les chercheurs doivent démontrer l'efficacité de leur système à température ambiante.