Des physiciens du département de nanophotonique et métamatériaux de l'université ITMO ont démontré expérimentalement la faisabilité de concevoir un analogue optique d'un transistor basé sur une seule nanoparticule de silicium. Parce que les transistors sont parmi les composants les plus fondamentaux des circuits informatiques, les résultats de l'étude ont une importance cruciale pour le développement des calculateurs optiques, où les transistors doivent être à la fois très petits et ultrarapides. L'étude a été publiée dans la revue scientifique Lettres nano .

Les performances des ordinateurs modernes, qui utilisent des électrons comme porteurs de signaux, est largement limité par le temps nécessaire pour déclencher le transistor, généralement autour de 0,1 à une nanoseconde (1/1 000 000 000 de seconde). Ordinateurs optiques de nouvelle génération, cependant, compter sur les photons pour véhiculer le signal utile, ce qui augmente fortement la quantité d'informations traversant le transistor par seconde. Pour cette raison, la création d'un transistor tout optique ultrarapide et compact est considérée comme déterminante dans le développement de l'informatique optique. Un tel nanodispositif permettrait aux scientifiques de contrôler la propagation d'un faisceau de signal optique au moyen d'un faisceau de contrôle externe en quelques picosecondes.

Dans l'étude, un groupe de scientifiques russes de l'Université ITMO, L'institut de physique Lebedev et l'université universitaire de Saint-Pétersbourg ont adopté une approche complètement nouvelle pour concevoir de tels transistors optiques, ayant réalisé un prototype utilisant une seule nanoparticule de silicium.

Les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient modifier considérablement les propriétés d'une nanoparticule de silicium en l'irradiant avec une impulsion laser intense et ultracourte. Le laser agit ainsi comme un faisceau de contrôle, fournissant une photoexcitation ultrarapide d'un plasma électron-trou dense et à recombinaison rapide dont la présence modifie la permittivité diélectrique du silicium pendant quelques picosecondes. Ce changement brutal des propriétés optiques de la nanoparticule ouvre la possibilité de contrôler la direction dans laquelle la lumière incidente est diffusée. Par exemple, la direction de la diffusion des nanoparticules peut être modifiée d'arrière en avant sur une échelle de temps de la picoseconde, en fonction de l'intensité de l'impulsion laser de contrôle incidente. Ce concept de commutation ultrarapide est très prometteur pour la conception de transistor tout optique.

"Généralement, les chercheurs dans ce domaine se concentrent sur la conception de transistors tout optique à l'échelle nanométrique en contrôlant l'absorption des nanoparticules, lequel, en substance, est tout à fait logique. En mode haute absorption, le signal lumineux est absorbé par la nanoparticule et ne peut pas la traverser, tandis que hors de ce mode, la lumière est autorisée à se propager au-delà de la nanoparticule. Cependant, cette méthode n'a pas donné de résultats décisifs, " explique Sergueï Makarov, auteur principal de l'étude et chercheur principal au Département de nanophotonique et métamatériaux. "Notre idée est différente dans le sens où nous ne contrôlons pas les propriétés d'absorption de la nanoparticule, mais plutôt son diagramme de dispersion. Disons que la nanoparticule diffuse normalement presque toute la lumière incidente vers l'arrière, mais une fois que nous l'irradions par une impulsion de contrôle, il se reconfigure et commence à diffuser la lumière vers l'avant."

Le choix du silicium comme matériau pour le transistor optique n'était pas accidentel. La création d'un transistor optique nécessite l'utilisation de matériaux peu coûteux adaptés à une production en série et capables de modifier leurs propriétés optiques en quelques picosecondes (en régime de plasma dense électron-trou) sans s'échauffer en même temps.

"Le temps qu'il nous faut pour désactiver notre nanoparticule n'est que de quelques picosecondes, tandis que pour l'activer, nous n'avons pas besoin de plus de dizaines de femtosecondes. Désormais, nous disposons déjà de données expérimentales qui indiquent clairement qu'une seule nanoparticule de silicium peut effectivement jouer le rôle d'un transistor tout optique. Actuellement, nous prévoyons de mener de nouvelles expériences, où, avec un faisceau de contrôle laser, nous allons introduire un faisceau de signal utile", conclut Pavel Belov, co-auteur de l'article et chef du département de nanophotonique et métamatériaux.