Российские физики представили нановолокно для кремниевой фотоники — оно необходимо для компьютеров будущего

Кремниевая электроника упирается в физический барьер: когда размеры транзисторов становятся сопоставимы с длиной волны электрона, в дело вступают квантовые эффекты, делающие дальнейшую миниатюризацию невозможной. Ответом на этот вызов может стать фотоника — передача и обработка информации с помощью света, а не электричества. Российские физики из МФТИ и ряда других научных центров предложили конкретный материал и технологию для создания оптических чипов будущего. Они доказали, что нановолокна из фосфида галлия способны стать основой для логических элементов размером всего в 100 нанометров — это в сотни раз тоньше человеческого волоса.

Наноразмерные волноводы: как свет «запирают» в кристалле

Исследователи из лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Политехнического университета и Ереванского государственного университета провели серию экспериментов. На подложке они выращивали нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия, плавно меняя их диаметр и геометрическую форму. Главная задача заключалась в том, чтобы понять, как эти параметры влияют на способность кристалла проводить свет.

Результат превзошел ожидания. Как пояснил заведующий лабораторией МФТИ Алексей Большаков, им удалось создать волноводы диаметром 100 нанометров. «Это важный шаг по снижению размеров оптических элементов, — подчеркнул ученый. — Меняя геометрию кристаллов, можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав, можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».

Эластичность и оптика: двойное преимущество фосфида галлия

Ключевым открытием стала не только миниатюризация, но и механическая гибкость материала. Нанонити из фосфида галлия продемонстрировали удивительную эластичность: их можно было изгибать без образования дефектов, при этом оптические характеристики волновода не ухудшались. Это свойство критически важно для создания сложных трехмерных фотонных схем, где световые сигналы должны огибать препятствия и переплетаться, не теряя мощности.

Работа, опубликованная в авторитетном научном журнале Small, показала, что на основе таких нановолокон можно создавать не только простые волноводы. Изменяя конфигурацию кристаллов, ученые могут собирать полноценные оптические элементы: фильтры для разделения сигналов по длинам волн, резонаторы для усиления света и интерферометры — базовые компоненты логических схем. «Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов», — отметил Большаков.

Вопрос о том, какой материал станет «кремнием» для оптических компьютеров, оставался открытым долгие годы. Фосфид галлия рассматривался как один из кандидатов благодаря своей высокой нелинейности и широкой запрещенной зоне, но до сих пор не было экспериментальных данных, подтверждающих возможность создания на его основе волноводов столь малого размера. Российская группа не только подтвердила эту возможность, но и математически обосновала, какие именно геометрические параметры необходимы для стабильной передачи света. Теперь перед учеными стоит следующая задача: перейти от единичных элементов к созданию из нановолокон фосфида галлия полноценных функциональных схем — фильтров и интерферометров, а также разработать волноводы из других материалов, способные работать на иных длинах волн.