Представьте, что ваш компьютер или смартфон станет в разы быстрее, а томографы научатся видеть то, что сейчас недоступно. Всё это возможно, если перевести технику на терагерцевые частоты. Они способны передавать данные со скоростью терабит в секунду — это намного мощнее привычных нам сверхвысоких частот (СВЧ).
Но есть проблема, старые методы тут не работают. Нужны новые подходы. И сибирские физики знают, в какую сторону двигаться.
В чем суть открытия
Специалисты ИЯФ СО РАН работают с уникальным инструментом — Новосибирским лазером на свободных электронах (НЛСЭ). Это настоящий гигант: по мощности излучения он в десятки раз превосходит все зарубежные аналоги. Благодаря ему ученые научились создавать и изучать поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) — штука звучит сложно, но на деле это просто новый способ передавать информацию.
Если объяснять просто — сегодня микросхемы работают на электричестве и транзисторах. Завтра они могут работать на свете, но не обычном объемном, а «прилипшем» к поверхности проводника. Это и есть плазмон-поляритоны.
Почему старые микросхемы упираются в потолок
Старший научный сотрудник института Василий Герасимов объясняет проблему на пальцах:
«Современные процессоры, телефоны, телевизоры — всё это построено на транзисторах. Но их размеры дошли до предела. Если сделать элемент меньше 15 нанометров, начинают вмешиваться квантовые эффекты, растет энергопотребление. А частоту поднимать надо. Выход — на стыке фотоники и плазмоники. Мы учимся переводить свет из объема в плоскость».
Главный враг миниатюризации — дифракция. Из-за нее нельзя сделать элемент микросхемы меньше половины длины волны света — иначе сигнал начнет рассеиваться и искажаться. Плазмон-поляритоны этот барьер обходят: они работают на поверхности и позволяют создавать элементы с субволновыми размерами.
Как это работает и зачем нужна новая установка
Младший научный сотрудник Валерия Кукотенко три года колдовала над созданием оптического устройства, которое позволяет изучать поведение плазмонов в разных материалах. Последняя версия прибора умеет не только генерировать плазмоны, но и измерять, как глубоко их поле проникает в воздух над поверхностью проводника, а также оценивать потери сигнала.
Мы работали с образцом — золото, покрытое слоем сульфида цинка. И главное: наш метод неинвазивный. Мы не касаемся хрупкого материала, не деформируем его. Это важно для будущих экспериментов с новыми материалами — графеном, углеродными нанотрубками».
поясняет Кукотенко.
Что удалось выяснить
Эксперименты подтвердили — метод работает. Ученые впервые точно измерили диэлектрическую проницаемость приповерхностного слоя золота в терагерцевом диапазоне. Раньше таких данных просто не было.
Теперь у разработчиков плазмонных микросхем появился инструмент, который поможет правильно рассчитывать размеры элементов буквально под конкретный материал. Даже если речь идет о слое толщиной в сотни нанометров.
Где это пригодится кроме микросхем
Знания о том, как ведут себя плазмоны у поверхности, пригодятся не только создателям процессоров будущего. Например, в Институте прикладной физики РАН вместе с новосибирцами работают над компактными терагерцевыми генераторами — гиротронами, которые работают на частотах выше 1 ТГц. Там тоже нужны точные расчеты.
Результаты исследований уже опубликованы в авторитетном международном журнале Plasmonics, который выпускает издательство Springer Nature. А это значит, что к открытию новосибирских физиков присматриваются сейчас во всем мире.
