Для реализации микросхем, работающих полностью на фотонах, специалисты должны получить базовый набор оптических устройств, способных заменить транзисторы, провода и другие элементы микроэлектроники. Одни исследователи разрабатывают оптические устройства на базе существующих технологий работы с кремнием. Это «синица в руках»: прибор будет не очень эффективным, но он сможет работать. Другие группы сосредоточились на поиске новых материалов, которые способны управлять светом. Технологии, разработанные ими, могут в перспективе оказаться намного выгоднее.
Один из самых многообещающих материалов – это фотонные кристаллы. Главная особенность этих периодических структур – наличие разрешённых и запрещённых зон для энергий фотонов.
Это значит, что фотон, обладающий энергией, лежащей в пределах разрешённой зоны, свободно проходит через кристалл, а фотон, наделённый энергией, которая лежит в пределах запрещённой зоны, не может распространяться по кристаллу и отражается от него.
Для осуществления передачи и обработки информации необходимо научиться управлять параметрами света внутри фотонного кристалла. Учёные заметили, что при прохождении светового пучка через прозрачное вещество, помещённое в магнитное поле, происходит существенное изменение поляризации света. Это явление, названное эффектом Фарадея, также наблюдается в фотонных кристаллах. Изменяя поляризацию, то есть ориентацию электромагнитного поля света, можно эффективно управлять интенсивностью светового потока.
Рис. 1. Система из двух поляризаторов – материалов, способных выделить из света ту его часть, которая обладает определённой поляризацией. При повороте одного из поляризаторов относительно другого мы изменяем вектор поляризации на некоторый угол и тем самым управляем интенсивностью проходящего света. Автор изображения –
Rogilbert, Via Wikimedia Commons.
Российские учёные создали математическую модель, позволившую изучить спектр прохождения и отражения световых волн фотонного кристалла, состоящего из чередующихся слоёв ферромагнетика и диэлектрика, и изменение оптических свойств при внесении в виртуальный кристалл различных дефектов. Работа была опубликована в последнем номере издания «Журнал экспериментальной и теоретической физики».
Известно, что появление различных дефектов в кристалле приводит к изменению его свойств. В частности, в запрещённой зоне фотонного кристалла появляется очень узкий интервал частот (дефектная минизона), на которых наблюдается усиленный эффект Фарадея. На этих частотах кристалл беспрепятственно пропускает свет, при этом поляризация световых волн изменяется на гораздо больший угол, чем на других частотах.
Для проектирования оптических устройств важно знать, каким образом дефекты фотонного кристалла влияют на его свойства. С помощью математического моделирования исследователи продемонстрировали, что положение дефектной минизоны в запрещённой зоне сильно зависит от структуры дефекта и совершенно не зависит от его положения в кристалле. Однако положение дефекта влияет на интенсивность проходящего света, частота которого лежит в области дефектной минизоны.
При сочетании различных типов дефектов, их расположения в структуре и выбора материала возможно эффективно управлять магнитооптическими свойствами фотонных кристаллов. Это ещё один шаг на пути создания микросхем, в которых электроны полностью заменятся светом.
Первоисточник информации:
С. В. Елисеева, Д. И. Семенцов Дефектные моды и магнитооптическая активность одномерного магнитофотонного кристалла. – Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2011. – т. 139. – вып. 2.
Наука и технологии РФ
