Учені створили чип, який може сповільнити швидкість світла в 10 000 разів: навіщо це потрібно

Завдяки використанню технології метаповерхонь фотонні чипи можуть бути такими ж тонкими, як наклейки, що дасть змогу застосувати їх у мікроелектроніці.

Дослідницька група з Шеньчженьського інституту передових технологій Китайської академії наук розробила фотонний чип, що дає змогу знизити швидкість світла більш ніж у 10 000 разів. Це допоможе підвищити продуктивність і можливості додатків у сфері світлочутливості, зв'язку та обчислень, передає SCMP.

Фотонні чипи використовують фотони замість електронів, їхня перевага в тому, що вони споживають менше енергії і працюють швидше електронних аналогів. Хоча швидкість світла у вакуумі є постійною величиною і не може бути перевищена, в інших середовищах її можна сповільнити, а це означає, що нею можна маніпулювати, що має велике значення під час розробки фотонних процесорів.

"Коли світло сповільнюється, щільність енергії світла збільшується", — сказав доктор Лі Гуан'юань, один з авторів дослідження. — "Це означає, що при постійних габаритах пристрою ефективна відстань взаємодії світла стає більшою, що істотно підвищує продуктивність пристрою".

Команді доктора Лі вдалося створити фотонний чіп, що уповільнює світло більш ніж у 10 000 разів. При цьому втрата енергії склала лише близько 20% від втрат інших фотонних пристроїв, які вони тестували раніше.

Сучасний метод управління швидкістю світла заснований на метаповерхнях — штучних матеріалах, що складаються з наноструктур. Коли світло потрапляє на ці наноструктури, вони резонують, змінюючи свою амплітуду і фазу.

Але матеріальне поглинання і розсіювання світла, створюваного цими штучними атомами, може призвести до втрати світла, що скорочує тривалість "життя" фотонів і обмежує ступінь уповільнення швидкості світла. Щоб обійти цю проблему, команда Лі вдосконалила використовувані матеріали і конструкцію процесора.

"Ми вибрали матеріали з низькими або навіть нульовими втратами при поглинанні хвиль певної довжини", — пояснив Лі. — "Наприклад, метали мають сильне поглинання в інфрачервоному спектрі, тому ми використовували кремнієві матеріали. Однак кремній сильно поглинає видиме світло, тому в таких випадках ми використовували прозорі матеріали, такі як нітрид кремнію або діоксид титану".

Для структурного проектування дослідники вдосконалили концепцію поверхневого решіткового резонансу, яка запобігає втратам енергії. Розроблена ними періодична структура складалася з кремнієвих нанодисків розміром 100 нанометрів. Така конструкція зміщує шлях світла зсередини наноструктур до їхньої поверхні, значно зменшуючи втрати при поглинанні світла тим чи іншим матеріалом. Крім того, завдяки новій структурі вдалося захопити ті фотони, які зазвичай губляться через розсіювання світла, і повернути їх до процесу поширення, тим самим подовжуючи тривалість "життя" фотонів.

Вчені впевнені, що ця технологія може також знизити витрати на виробництво фотонних чипів і розширити їхнє застосування для датчиків, лазерних пристроїв і світлодіодів.

"Завдяки використанню технології метаповерхонь фотонні чипи можуть бути такими ж тонкими, як наліпки, що дасть змогу застосувати їх у мікроелектроніці", — пояснив Лі. — "Продуктивність фотонних процесорів зазвичай обмежена, але використовуючи ефект повільного світла, продуктивність можна значно поліпшити".