В России учатся управлять коллективным колебанием электронов

Российскими учеными созданы плазмонные кристаллы с настраиваемыми частотами колебаний электронов в полупроводниках. Это ключ к терагерцовой связи и сверхбыстрой квантовой электронике.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Российские физики доказали, что в полупроводниковых структурах с затвором типа «решетка» можно формировать плазмонные кристаллы — периодические системы, в которых электроны перестают вести себя как отдельные частицы, а начинают колебаться согласованно, образуя плазмоны. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.

Структура представляет собой двумерный электронный канал, накрытый металлической решеткой. Разные участки канала содержат неодинаковую плотность носителей, что формирует «электронную периодичность» — аналог кристаллической решетки, но созданной не атомами, а плазмой (ионизированным газом). Расчеты показывают, что скорость плазмонных волн в такой структуре может достигать 3,8×10⁵ м/с, а резонансы — находиться в терагерцовом диапазоне.

Ширину и положение «запретных зон» (bandgap) можно изменять электрическим током или внешним электромагнитным полем. Это означает возможность управления поведением плазмонов в режиме реального времени.

Эра после кремния

Терагерцовый диапазон — своего рода новая «чаша святого Грааля» для разработчиков. Существующие электронные устройства почти не работают на терагерцевых частотах — между микроволнами и инфракрасным диапазоном. Это так называемая «THz-долина», где фотонные технологии слишком громоздки, а традиционная электроника — слишком медлительна. Плазмонные кристаллы способны заполнить эту нишу, обеспечивая работу на частотах, недоступных обычным транзисторам.

Плазмонные резонансы ведут себя и как электронные колебания, и как аналоги световых волн в материале. Это позволяет объединить преимущества фотоники и электроники — быстрые сигналы при размерах меньше длины волны света.

Потенциальные сферы применения плазмонных кристаллов в телекоммуникации:

• Терагерцовая беспроводная связь (формат 6G и выше);
• Передача данных со скоростью терабит в секунду;
• Миниатюрные антенны для ультракоротких волн;
• Защищенные каналы проводной связи (используется затухание THz-сигналов даже на небольшом расстоянии от источника).

Терагерцовый диапазон рассматривается как фундамент будущих поколений связи — плазмонные кристаллы могут стать сердцем таких передатчиков и приемников. Технология также перспективна в производстве сверхчувствительного оборудования сканирования и контроля доступа, систем досмотра в аэропортах и на режимных предприятиях, биомедицинских сканеров. Терагерцовые волны проникают через ткани и материалы, но не ионизируют их в отличие от рентгеновских лучей.

Плазмоны могут найти применение в системах неразрушающего контроля на производстве (сейчас там в ходу опасное гамма-излучение), средствах распознавания химических веществ и биологически агентов. Они крайне чувствительны к окружению и могут использоваться для обнаружения присутствия токсинов, биомолекул, газов и наночастиц — при концентрациях, недоступных обычным сенсорам.

Квантовый мир

Еще одно перспективное направление — ускоренная обработка данных и миниатюрные чипы. Совмещение электроники и плазмоники открывает путь к созданию пикосекундных логических элементов, компактных преобразователей частоты, гибридных оптоэлектронных процессоров.

Наконец, на основе плазмонных кристаллов возможно создание квантовых устройств нового поколения. Плазмонные моды способны взаимодействовать с квантовыми состояниями, что дает перспективу плазмон-квантовым интерфейсам, миниатюрным источникам квантового света, управляемым когерентным состояниям в чипах.

Теперь задача ученых — экспериментальное подтверждение результатов моделирования. Если удастся реализовать плазмонные кристаллы в реальных полупроводниковых структурах, это станет фундаментом пост-силиконовой наноэлектроники, где информация кодируется не электрическим током, а коллективными квантовыми волнами.

Недавно российские ученые предложили использовать в качестве материала для кубитов квантовых компьютеров экзотический редкоземельный элемент тулий. Hi-Tech Mail разобрался, в чем тут соль.

• российские ученые
• Физика

Поделиться