Физики из Массачусетского технологического института создали электронную схему, которая позволяет управлять плазмонными волнами с помощью комбинации графена и ферроэлектрических материалов. Эксперименты ученых показали принципиальную возможность создания вычислительных устройств с очень высокими рабочими частотами и при этом имеющих еще большую степень миниатюризации, чем современные компьютерные чипы. Детали приведены в статье Applied Physics Letters, а краткий пересказ можно найти на официальном сайте MIT.
Фундаментальный принцип работы устройства основан на использовании плазмонов: псевдочастиц, которыми физики описывают поведение плазмы. Под плазмой в контексте данной работы понимается не раскаленный ионизированный газ, а рассредоточенные в графене носители заряда, которые достаточно точно можно описать как совокупность заряженных частиц электронного газа. В этом электронном газе, в свою очередь, возникают колебания, которые несут определенную энергию. Энергия колебаний в полном соответствии с законами квантовой механики квантуется и именно квант таких колебаний называют плазмоном.
Плазмоны играют важную роль в физике твердого тела, так как позволяют, например, предсказать и рассчитать оптические свойства веществ. Но группу исследователей из MIT заинтересовало не это, а возможность управления плазмонами, то есть возможность направлять плазмонные волны в нужное место. Такое управление важно не только потому, что оно лишний раз подвергнет проверке теоретические модели, но еще и потому, что плазмонные волны могут иметь намного большую частоту, чем электромагнитные колебания в используемой сегодня электронной технике. Если типичный центральный процессор работает на частотах от сотен мегагерц до нескольких гигагерц, то плазмонные волны в опытах ученых показали принципиальную возможность достижения отметки в несколько терагерц, несколько тысяч гигагерц.
Как сообщают исследователи, они смогли управлять плазмонами за счет комбинации двух материалов, графена и ферроэлектриков. Графен представляет собой плоский лист толщиной в один атом углерода, а ферроэлектриками или сегнетоэлектриками называются вещества, способные электризовываться под действием электрического поля и сохранять заряд после того, как внешнее поле снято. Разместив графеновый лист между двумя пластинками ниобата лития физики смогли направить плазмонные волны в требуемом направлении после того, как сформировали из заряженных участков ферроэлектрика границы волновода.
Опыты показали, что между такими волноводами расстояние может быть не больше 20 нанометров и при этом плазмонные колебания не будут искажать друг друга. Исследователи считают, что их работа открывает путь хоть и не к промышленной реализации метода, то как минимум к продолжению экспериментов с графеном и ферроэлектриками. Одним из возможных приложений ученые называют оптоэлектронные устройства, в которых свет вызывает плазмонные колебания: предварительные оценки говорят в пользу того, что они будут намного более компактны, чем современные преобразователи такого рода. Кроме того, разработка может помочь в создании быстрых систем записи и считывания информации из ферроэлектрических запоминающих устройств: теоретически скорость работы может превысить текущие показатели в тысячи раз.