Найден материал, сверхчувствительный к свету: техника будущего
Оптические компьютеры — мечта многих физиков, и новое открытие поможет наконец воплотить эту мечту в жизнь
С каждым годом растет потребность в замене обычных компьютеров на более мощные и перспективные. Проблема традиционной вычислительной техники в электронах, играющих главную роль в ее устройстве. В любой структуре, в которой протекает электрический ток, есть вероятность перегревания, что накладывает фундаментальные ограничения на минимальный размер вычислительных элементов. Решением могут стать оптические компьютеры, где обработка информации происходит за счет движения не электронов, а фотонов — частиц света, не нагревающих среду.
«Очень скоро мы упремся в предел, когда дальнейшая модернизация вычислительных машин на электронах не позволит обеспечить необходимый рост производительности. Чтобы заменить обычные компьютеры на оптические, необходимо создать чипы и лазеры, сопоставимые с их размером. Для разработки оптических деталей в нанометровом масштабе нужны материалы с высоким коэффициентом преломления. Коэффициент преломления показывает, насколько хорошо структура реагирует на свет. Если она взаимодействует со светом плохо, то и прибор будет работать аналогично», — рассказывает студент Нового физтеха Университета ИТМО Антон Шубник.
Высоковоспримчивых к свету материалов не так много. Один из них — кремний (Si). Его коэффициент преломления равен четырем. Веществ с еще большим показателем в видимом диапазоне частот пока не известно. Более того, признаются ученые, до сих пор не понятно, как и где их искать. После долгих математических изысканий физикам ИТМО удалось найти критерий, по которому можно предсказать коэффициент преломления для каждого вещества до физического эксперимента или сложного численного моделирования. Он основывается на электронных свойствах той или иной структуры: ширины запрещенной зоны и эффективной массы электрона.
«Мы сосредоточили внимание на полупроводниках. У них есть такой хорошо известный для многих веществ и часто используемый параметр, как ширина запрещенной зоны. В оптике это значение определяет максимальную частоту волны, при которой материал остается прозрачным. Второй параметр — эффективная масса электрона. У каждого электрона есть масса, но из-за взаимодействия с другими частицами в материале электрон будет вести себя как частица, у которой вес существенно отличается», — объясняет руководитель Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО Иван Иорш. Статья опубликована в Nanophotincs.
Теоретическая модель показала, что чем больше отношение ширины запрещенной зоны к эффективной массе электрона, тем больше должен оказаться и коэффициент преломления. Сначала исследователи проверили свою гипотезу на материалах, вроде Si, а затем на менее известных. В результате был найден очень перспективный материал для оптических элементов — диселенид рения (IV) (ReSe2). Оказалось, что его показатель преломления в видимом диапазоне равен 6,5−7, что значительно выше, чем у кремния.
Теперь ученые планируют запустить глобальный поиск по открытым базам с электронными свойствами материалов, чтобы найти другие высокоиндексные структуры, которые ранее не привлекали внимания оптиков.
Материал предоставлен пресс-службой Университета ИТМО
