В России создали кристалл для оптических компьютеров будущего
Ученые МГУ получили магнитофотонный кристалл, с помощью которого можно эффективно управлять интенсивностью отраженного света. Исследователям с помощью магнитного поля удалось изменять интенсивность оптического пучка, отраженного в конкретной точке, на 19%, то есть делать его сильнее или слабее. Этот эффект можно будет использовать в оптических компьютерах, где информация кодируется потоком фотонов (частиц света), а не электронов, как в существующих устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.
Оптический, или фотонный, компьютер — это вычислительная система, в которой для передачи и обработки информации вместо электрического тока используются световые импульсы — фотоны. Данные в таких устройствах могут кодироваться интенсивностью, фазой, длиной волны или поляризацией света.
Главное преимущество фотонных технологий — потенциально более высокая скорость передачи данных и меньшее тепловыделение, поскольку свет может проходить через оптические элементы с меньшими потерями энергии. Для управления сигналами нужны специальные компоненты — волноводы, фотонные кристаллы, лазеры, детекторы и оптические модуляторы. Пока полностью оптические компьютеры в основном остаются экспериментальными, однако отдельные фотонные процессоры уже разрабатываются для задач искусственного интеллекта, связи и высокопроизводительных вычислений.
Свет вместо электронов
На сегодняшний день активно развиваются оптические (фотонные) компьютеры, в которых информация будет обрабатываться с помощью света, а не электронов. Для работы таких компьютеров необходимы компактные устройства, которые изменяют свойства света, например, благодаря эффекту Гуса-Хенхен. При этом явлении свет, падающий на поверхность, отражается не только в точке, в которую упал, но и в другом месте, отстоящем примерно на 500 нанометров (расстоянии, сопоставимом с размером мельчайших бактерий).
Чтобы усилить такой эффект, ученые используют фотонные кристаллы — многослойные объекты, способные «удерживать» свет внутри себя на доли микросекунд и благодаря этому «отодвигать» точку отражения света еще дальше — вплоть до нескольких миллиметров. При этом, чтобы научиться точно управлять «сдвигом» при отражении света и интенсивностью получаемого луча, нужны фотонные кристаллы из разных активных материалов, которые меняют свои свойства под действием, например, магнитных полей.
Магнитное поле управляет отражением света
Ученые МГУ изготовили магнитофотонный кристалл, в котором интенсивность отраженного света можно настраивать с помощью магнитного поля.
Для этого авторы нанесли тонкий слой магнитного материала на основе висмута, иттрия и железа на фотонный кристалл, состоящий из слоев оксида кремния и тантала. Именно благодаря такому покрытию у фотонного кристалла появилась возможность менять свойства света в магнитном поле.
Эксперимент показал появление двух пучков
Исследователи направили на полученный образец лазерный луч и с помощью датчика измерили, куда именно падает пучок света и где затем отражается. Авторы увидели два пучка: первый отразился от поверхности кристалла ровно в точке, куда падал луч, а место отражения второго сместилось на десятки микрометров из-за «захвата» света внутри кристалла.
Оказалось, что интенсивностью этих двух пучков можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, делая лучи сильнее или слабее. Кроме того, авторам удалось на 19% изменить интенсивность свечения зоны между двумя лучами — прямым отраженным и смещенным.
Перспективы для фотонных компьютеров
Это означает, что магнитофотонный кристалл в перспективе сможет кодировать разную информацию с помощью оптического излучения, меняющегося под действием магнитного поля. Такие магнитофотонные кристаллы смогут стать модуляторами — элементами для обработки данных — в фотонных компьютерах будущего.
«В дальнейшем мы планируем изготовить магнитофотонный кристалл с еще большей "задержкой" света в магнитном слое, чтобы увеличить эффект сдвига пучков и еще больше изменить интенсивность свечения в области между отраженными пучками при включении магнитного поля. Для этого можно будет попробовать новые магнитооптические материалы для фотонного кристалла и оптимизировать его размеры для лучшего захвата света внутри себя», — рассказывает руководитель проекта Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.
