Российские ученые доказали, что нанокристаллы фосфида галлия можно использовать для создания микросхем в фотонных компьютерах. Такие машины станут намного быстрее и энергоэффективнее по сравнению с электроникой.
Физики МФТИ подобрали материал, который лучше всего подходит для создания оптических микросхем, работающих за счет передачи частиц света — фотонов. Эксперименты показали, что физические свойства нанокристаллов фосфида галлия (GaP) позволяют сделать из них простейшие элементы будущего фотонного компьютера.
GaP имеет высокий коэффициент преломления. Это означает, что через наноразмерные кристаллы этого материала хорошо распространяется свет с небольшой длиной волны. Это позволяет делать из него максимально миниатюрные оптические компоненты. На основе полученных данных, ученые рассчитали минимальную толщину кристалла для передачи светового сигнала того или иного цвета.
«Для того чтобы сделать компьютер, который будет работать на световых сигналах, необходимо создать оптические элементы малого размера, составляющие его микросхемы. То есть нам нужно уместить свет в очень маленькие элементы. Для этого нужен материал с высоким коэффициентом преломления и низкими оптическими потерями при передаче света. Фосфид галлия оказался в этом смысле одним из наиболее перспективных», — сказал заведующий лабораторией функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков.
Все вычисления в современных компьютерах производятся за счет движения электронов по элементам микросхем, прежде всего — транзисторам. С развитием технологий транзисторы удавалось делать всё меньше и меньше — вплоть до нескольких нанометров. Благодаря этому в одном компьютере можно разместить несколько миллиардов подобных устройств.
Необходимой составляющей будущих микросхем фотонного компьютера станет волновод — канал, по которому будет двигаться световой сигнал, переходя от одного логического элемента к другому. Эксперименты показали, что минимальная толщина такого «светового провода» из фосфида галлия составляет 108 нанометров. Этого достаточно для создания первых экспериментальных образцов микросхем.
Также в своей работе ученые показали, что волноводы из GaP можно очень сильно изгибать и при этом они продолжают проводить свет. Благодаря этому из них можно делать более сложные элементы, как, например, разветвители, разделяющие или объединяющие потоки света.
«Возможность фильтровать свет с помощью нанокристаллов фосфида галлия, которая открывает новые перспективы в создании именно логических компонентов микросхемы, — это отличный результат научной работы. Но главный вопрос, который встает после лабораторных успехов: можно ли получить такие же результаты хотя бы при мелкосерийном производстве. Если фосфид галлия обеспечивает это, то его будут применять на практике», — отметил доцент Института СПИНТех НИУ МИЭТ Петр Федоров.
Сообщается, что разработки проведены в сотрудничестве с Алферовским университетом, ИТМО, ВШЭ и Ереванским государственным университетом при поддержке Российского научного фонда.