Вчені-фізики з Санкт-Петербурзького національного дослідницького університету інформаційних технологій, механіки і оптики (ІТМО), Фізичного інституту РАН ім. П. Н.Лебедєва і Санкт-Петербурзького академічного університету продемонстрували можливість створення ще одного типу оптичного аналога одного з найпоширеніших електронних приладів — транзистора. Оскільки транзистори є фундаментальними компонентами цифрових електронних схем, новий оптичний транзистор, що складається з однієї кремнієвої наночастинки, може стати базою, на основі якої будуть створені оптичні процесори, що відрізняються надвисокою продуктивністю, малими габаритами і невеликою кількістю енергії, споживаної ними під час роботи.Швидкодія процесорів сучасних комп’ютерів, які використовують потоки електронів в якості носіїв інформації, обмежена, в першу чергу, часом перемикання транзисторів із закритого у відкритий стан і навпаки. Це час зазвичай знаходиться в межах від 0.1 до 1 наносекунди (1/1.000.000.000 секунди). Оптичні комп’ютери, які будуть покладатися на фотони в якості носіїв інформації, повинні мати в складі своїх чіпів оптичні транзистори, здатні переключатися з набагато більшою швидкістю для того, щоб забезпечити більшу швидкість передачі та обробки інформації. Для того, щоб зробити оптичні процесори гідними уваги, їх транзистори, керуючі поширенням променів світла, повинні бути в змозі перемикатися мінімум в межах декількох пікосекунд (1/1.000.000.000.000 секунди).Під час своїх досліджень вчені з Санкт-Петербурга з’ясували, що оптичні властивості кремнієвої наночастинки можуть кардинально змінитися при освітленні її ультракоротким імпульсом лазерного світла. Промінь, що складається з таких імпульсів, служить для управління станом транзистора, забезпечуючи збудження електронів наночастинки кремнію, що стає причиною виникнення так званої «плазми» з електронних дірок, присутність якої змінює діелектричну проникність кремнію на декілька пікосекунд. Ця зміна, у свою чергу, призводить до різких змін оптичних властивостей кремнію, що дозволяє керувати напрямком, в якому відображається падаюче на наночастицу світло. В залежності від характеристик керуючих імпульсів світла, що падає на наночастну, світло може бути навіть відображено в протилежному і нормальному напрямку.»Всі дослідження, які проводилися в цьому напрямку раніше, були зосереджені на створенні оптичних транзисторів шляхом управління поглинаючими властивостями використовуваних наночастинок, що було найбільш логічним шляхом. При високому показнику поглинання світло не могло пройти крізь матеріал наночастинки, однак, за рахунок деяких оптичних ефектів світло огинало непрозору наночастину і рухалося далі, як ні в чому не бувало. З-за цього ефекту розробка таких методів не дала ніяких значних результатів», — розповідає Сергій Макаров, дослідник з Відділу фотоніки та метаматеріалів ІТМО, — «Наш метод відрізняється тим, що ми використовуємо управління не поглинаючими властивостями наночастинок, а, скоріше, діаграмою, напрямком відображення нею світла. Скажімо, в нормальному стані наночастинка відображає все падаюче світло назад, але варто нам висвітлити її контролюючим імпульсом, вона починає розсіювати світло в протилежному напрямку».Вибір кремнію в якості матеріалу для оптичного транзистора був далеко не випадковий. Адже оптичні транзистори, мільйони і мільярди яких будуть входити до складу фотонних процесорів, повинні виготовлятися з недорогого матеріалу, який за всіма параметрами підходить для технологій масового виробництва. Крім цього, такий матеріал повинен бути здатний змінювати свої оптичні властивості протягом кількох пікосекунд і швидше під впливом імпульсу світла, не сильно перегріваючись при цьому.»Час, який потрібен кремнієвій наночастинці для повернення з активного в звичайний стан (виключення оптичного транзистора), складає декілька пікосекунд. А час її активації (включення) набагато менше, він дорівнює декільком десяткам фемтосекунд (1/1.000.000.000.000.000 секунди). Ці значення були отримані в ході експериментів з першими дослідними зразками оптичних транзисторів на основі кремнієвих наночасток» — розповідає Павло Бєлов, один з дослідників, — «А найближчим часом ми плануємо провести нові експерименти, в яких буде використовуватися не тільки керуючий промінь лазера, але і промінь лазера, що несе інформаційний сигнал, яким буде керувати оптичний транзистор».