В России оптимизировано использование плазмонов в электронике

07 августа 2015

Дмитрий Федюнин, Дмитрий Свинцов и Алексей Арсенин из МФТИ предложили способ компенсации потерь поверхностных плазмонов в волноводах, тем самым устранив главное препятствие, стоявшее на пути внедрения этих квазичастиц в оптоэлектронику. В настоящий момент именно поверхностные плазмоны являются перспективным направлением развития современной электроники. Суть новой технологии изложена в публикации журнала Optics Express.

Низкая частота процессоров современных компьютеров угрожает стагнацией всей компьютерной индустрии. Переход к использованию оптических микросхем, управляющих не электронами, а световыми волнами, давно считается оптимальным средством преодоления этого замедления. Но вот беда – лучше всего лазеры для оптоэлектроники излучают в ближнем инфракрасном диапазоне. А длина волны в этом диапазоне, как правило, не меньше микрона (миллионной метра), в то время как многие компоненты современных микросхем могут быть не более 10 нанометров (одной стомиллионной метра). Очевидно, что напрямую использовать столь "большие" фотоны в столь миниатюрных устройствах не получится.

Проблему пытались решить, привлекая поверхностные плазмоны – квазичастицы, представляющие собой результат взаимодействия электронов и фотонов на поверхности металлов. Каждый из нас может наблюдать их при ярком свете в виде так называемого металлического блеска. Поскольку они существуют не в объеме, а только на поверхности материалов, используя такие плазмоны вместо самих фотонов, можно "сжать" передаваемый сигнал, сделав его из объемной волны плоским и намного более компактным. Увы, компактность плазмона обусловлена взаимодействием фотонов и электронов, а оно ведет к серьезным потерям при перемещении плазмона на сколько-нибудь значимое расстояние. Преодолев один миллиметр, плазмон ослабевает в миллиард и более раз. Как же использовать столь эфемерное явление себе на пользу?

Федюнин и его коллеги попробовали рассчитать волноводы из структур вида металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структур) для передачи плазмонов на расстоянии. А чтобы они не затухали чересчур быстро, создали модель использования электрической накачки таких волноводов. Детальные расчеты показали, что при пропускании довольно слабых токов через наноразмерные плазмонные волноводы можно компенсировать все энергетические потери плазмонов, дав им возможность распространяться внутри микросхемы на значительные дистанции. Что особенно важно – подобные волноводы окажутся на порядок компактнее современных фотонных, а это позволит делать оптоэлектронику гораздо более миниатюрной, нежели сегодняшние аналоги. И при этом намного более быстрой – в перспективе частота подобных микросхем может исчисляться терагерцами (тысячами гигагерц), что в принципе недостижимо для кремниевой электроники. Резюмируя, авторы исследования отмечают, что "ключевое препятствие" на пути развития подобных волноводов устранено и теперь новую схему следует опробовать экспериментально.

Источник:
АИР