Электроны мешают друг другу передавать информацию: они заряжены, сталкиваются друг с другом, выделяют тепло — это их тормозит. Вот почему все сейчас так заинтересовались нанофотоникой. Фотоны почти не взаимодействуют и могут передавать информацию с максимальной частотой в десятки терагерц.

Есть такой закон — закон Мура. С мурчащими котами Шрёдингера он почти никак не связан. Это гипотеза, названная в честь одного из основателей компании Intel Гордона Мура. В 1965 году он предположил, что количество транзисторов, которые удаётся разместить на микросхеме, будет увеличиваться вдвое каждые два года. Всё это время закон Мура исправно работал. Но спустя пятьдесят лет электроника, кажется, подошла к своему пределу. Число транзисторов больше не может увеличиваться так быстро, этому мешают базовые физические законы. Означает ли это кризис электроники? Возможно. Что поможет его преодолеть? Многие физики сегодня делают ставку на нанофотонику. О том, какие перспективы она сулит, мы поговорили с кандидатом физико-математических наук, сотрудником лаборатории нанооптики и метаматериалов физфака МГУ Максимом Щербаковым.

Фотонный автобан

[Кот Шрёдингера] Темпы прогресса в области вычислительной техники чем дальше, тем больше замедляются. Спасёт ли нас замещение электронных систем нанофотонными? 

[Максим Щербаков] Физики-оптики сейчас этим спасением и занимаются — пытаются восстановить закон Мура и выйти из застоя. Снижение скорости увеличения числа транзисторов, проявилась в начале 2000-х. Два года, предсказанные Муром, сменились двумя с половиной годами, и дальше этот разрыв будет только расти. Сейчас ядра самых мощных пользовательских компьютеров работают с частотой около 4 гигагерц — и это всё. И через год, и через пару лет самый навороченный компьютер будет работать точно c такой же частотой, больше уже не получить.

[КШ] Почему так происходит? 

[МЩ] Просто есть некоторые ограничения. Электроны мешают друг другу передавать информацию: они заряжены, сталкиваются друг с другом, выделяют тепло — это их тормозит. Вот почему все сейчас так заинтересовались нанофотоникой. Фотоны почти не взаимодействуют и могут передавать информацию с максимальной частотой не в несколько гигагерц-, а в десятки терагерц, то есть в десятки тысяч раз быстрее. Проще объяснить на примере. Представьте, что провода — это дороги, а электроны с фотонами —транспортные средства. В этом случае электронный провод можно сравнить с городской улицей, по которой попавшие в пробку машины еле тащатся со скоростью 10 километров в час; а оптоволокно — это автобан, но не простой, а межгалактический, и транспорт несётся по нему со скоростью 100 000 километров в час.

[КШ] Причём на этом автобане не только скорость выше, но и полос движения больше, так? 

[МЩ] Вроде того. По оптоволокну можно пустить несколько разных потоков данных. Есть такая методика — мультиплексирование, — позволяющая перераспределить информацию на разные длины волн или на разные поляризации. С электрическим током такое сделать нельзя. Это свойство оптоволокна даёт возможность запараллелить вычислительные процессы. Например, можно будет очень быстро обсчитывать тонны метеорологических показателей — мы наконец-то сможем доверять прогнозам погоды! Они будут составлены очень точно. 

Фундаментальные препятствия

[КШ] Совсем недавно прошла новость, что команда британских и немецких физиков создала фотонный чип для длительного хранения данных. Это же тоже часть оптического компьютера. Такое ощущение, что вот-вот — и его соберут по кусочкам.

[МЩ] Да, скорость развития фотонных технологий впечатляет. И может быть, это случится уже в ближайшие десятилетия. Ведь оптоволоконный интернет ещё недавно было новинкой, а сейчас он чуть ли не каждой квартире. Уже есть отдельные фотонные компоненты, которые вставляются в электронный компьютер.

[КШ] То есть фотонный компьютер существует?

[МЩ] Не совсем. Чтобы всё работало, оптический сигнал надо преобразовать на специальном детекторе в электрический, потому что внутри наших компьютеров пока ещё всё электронное. Пару лет назад компания IBM, например, пообещала сделать в 2015 году полностью фотонную материнскую плату. Не знаю, представят ли они что-то за оставшиеся два месяца, могут и не успеть. Но это не потому, что они такие плохие — просто существует ряд фундаментальных ограничений на создание фотонной вычислительной техники.

[КШ] Каких? 

[МЩ] Фотон, как известно, это и частица, и волна. И то, что волны света между собой не пересекаются, позволяя тем самым передавать огромные потоки информации, одновременно является и полезным свойством, и проблемой. Есть слабая волна, которая несёт биты информации: нули и единицы; есть сильная, на которую мы хотим записать этот поток данных. И если мы двумя этими волнами посветим в одну точку, взаимодействие не произойдёт — они друг друга не коснутся, информация не будет передана.

[КШ] Но ведь для того, чтобы волны взаимодействовали, используют кристаллы. Светят внутрь — лучи там встречаются, и между ними что-то происходит.

[МЩ] Да, кристаллы и некоторые другие структуры именно так и работают. Это называется нелинейная среда — внутри неё свет и правда может перемешиваться.

[КШ] И за счёт чего это происходит?

[МЩ] Фотоны получают возможность дробиться и собираться воедино. Похоже на распад ядер урана, только безопасно. Запустив в нелинейную среду один синий фотон, на выходе мы можем получить два фотона с более низкой частотой — и другого цвета, например красного. Ни в каких других средах, кроме нелинейных, преобразование цвета фотона, то есть частоты световой волны, невозможно. Бывает и такое, что два фотона c меньшими частотами объединяются в один большей частоты, — это называется генерация второй гармоники. Из двух красных получается один синий или зелёный. Самый простой пример — зелёная лазерная указка. Внутри у неё инфракрасный лазер с длиной волны 1064 нанометра, которую наш глаз не видит. Но два фотона с длиной в 1064 нанометра объединяются в нелинейной среде в один фотон с длиной волны в два раза меньше — 532 нанометра, а это уже тот самый зелёный цвет, который мы распознаём. То есть внутри указки есть ещё и нелинейный кристалл. В общем, в таких структурах световые волны могут преобразовывать друг друга — таким образом, перемешивание фотонов позволяет записывать информацию с одного канала на другой.

Дифракционный предел — явление, открытое в 1873 году немецким физиком-оптиком Эрнстом Аббе: луч света не может фокусироваться в среде, размер которой меньше, чем длина волны (λ). Из-за этого эффекта, например, просвечивающий микроскоп не распознаёт предметы меньше длины волны видимого света (< 0,4 микрометра).

[КШ] Так всё-таки есть возможность уже сейчас создать фотонный транзистор?!

[МЩ] Экспериментировать с нелинейными средами начали в 1960-е годы. То есть теоретически такая возможность существует давно. Правда, долгое время считалось, что сделать оптическое устройство меньше, чем длина волны света, невозможно. Это ещё одно фундаментальное препятствие, которое называется дифракционным пределом. А длина волны, которая используется в телекоммуникациях для передачи информации по оптоволокну, составляет 1,5 микрона. Получается, что нелинейные среды очень большие и не подходят для создания компьютерного транзистора. Свету, когда он попадает в нелинейный кристалл, обязательно нужно на какое-то время задержаться внутри, только так фотоны успеют повзаимодействовать друг с другом.

[КШ] То есть они не перемешиваются, потому что им не хватает времени встретиться и «пообщаться». А вот когда их что-то ограничивает, они начинают взаимодействовать. Похоже на людей, живущих в большом городе: на улице друг друга не замечают, а оказавшись в маленьком замкнутом пространстве, в лифте например, могут и поговорить. 

[МЩ] Ага, есть что-то общее. Но только, как мы помним, это замкнутое пространство не может быть слишком маленьким. И если мы начнём уменьшать нелинейный кристалл, то сократим и время возможного взаимодействия фотонов. Они не успеют достаточно перемешаться. В электронике характерные масштабы, c которыми работают инженеры, — это 22 нанометра, то есть 0,022 микрона. Ну и понятно, что, если есть электронный транзистор такого размера и фотонный, который не может быть меньше полутора микрон, выгоднее выбрать маленький, пусть и не такой быстрый. Грубо говоря, сегодня мы можем сделать массив фотонных транзисторов, но для этого потребуется огромный лазер и куча кристаллов, так что в итоге компьютер получится размером со стадион. 

Очень маленькая среда

[КШ] Первые электронные компьютеры занимали площадь в несколько десятков квадратных метров. Со временем физики и инженеры смогли сделать их значительно более компактными. Есть идеи, как уменьшить фотонные транзисторы? 

[МЩ] Сегодня многие работают над созданием маленькой нелинейной среды, в которую свет бы попадал и долго потом крутился. И такие элементы уже есть. Берутся, к примеру, два зеркала с коэффициентом отражения 99,99%. В сторону одного из них запускается фотон — он начинает прыгать между стенками. Потом запускают другой фотон, который тоже там долго скачет, и в конце концов они начинают перемешиваться. На самом деле это, конечно, не зеркала, а довольно сложные системы, которые называются брэгговскими отражателями. Один из их основных компонентов — кремний. И выглядят они просто как кусочки кремния с засечками, от которых фотоны и отталкиваются. До недавних пор такие нелинейные системы были достаточно крупными. Но наша лаборатория первой в мире сумела значительно уменьшить эту штучку и сделать её эффективнее.

Пикосекунда — одна триллионная доля (10-12) секунды. За это время свет в вакууме проходит примерно 0,3 миллиметра.

Фемтосекунда — одна квадриллионная доля (10-15) секунды.

Терагерц — частота, равная одному триллиону (1012) колебаний в секунду. Процессор современного компьютера использует частоту в сотни раз меньше.

[КШ] Насколько?

[МЩ] Наш нелинейный элемент на основе кремния — наночастица, похожая на диск с диаметром 250 нм и высотой 120 нм. Это очень неплохо. Из-за некоторого резонанса диск получился маленьким, однако фотоны всё же успевают в нём повзаимодействовать. Вообще, у любой такой системы есть время релаксации, потому что при попадании в кремний фотоны частично поглощаются, как в солнечных очках, и греют его. Эта энергия уходит в окружающее пространство за определённое время — оно-то и называется временем релаксации. Обычная нелинейная система восстанавливается со скоростью примерно 30 пикосекунд. Если перевести в герцы, выйдет 30 гигагерц. Круто!

Но мы сделали ещё круче. Наша нелинейная система даёт отклик со скоростью 65 фемтосекунд, то есть примерно на три порядка быстрее. А значит, можно говорить о частотах в несколько десятков терагерц. Эту разработку мы описали в журнале Nano Letters.

[КШ] Применять этот нелинейный нанодиск уже можно?

[МЩ] Пока это не интегральная система — всё делалось на оптическом столе с лазером. Но к концу следующего года мы планируем создать если не устройство, то прототип, который можно будет уже вставить в реальную микросхему. 

Повсеместный свет

[КШ] Что ещё сделала ваша лаборатория важного и интересного, из чего могут получиться полезные гаджеты? 

[МЩ] Сейчас крупные IT-компании и центры научных разработок бьются над запуском беспилотных автомобилей. И тут на помощь снова приходят лазеры. На крыше почти всех роботизированных машин есть такая крутящийся набалдашник — LIDAR, лазерный радар. Он позволяет очень точно ориентироваться. Но для этого лазерный луч должен постоянно просвечивать разные точки пространства — устройство делает несколько сотен оборотов в минуту.

И вот проблема: такая вертушка моментально изнашивается, как и любая конструкция, которая долго и быстро вращается. Крупные фирмы хотят заменить этот компонент и сделать так, чтобы лазерным лучом можно было управлять немеханическим способом. Сейчас наша лаборатория на физфаке МГУ совместно с компанией Samsung создаёт интересную систему: луч лазера можно будет направлять в разные стороны с той же скоростью при помощи магнитного поля. Причём не особо сильного, иначе автомобиль выйдет из строя. Если мы это сделаем, Google и вообще все, кто занимается беспилотниками, очень обрадуются, а мы тем более. Но подробностей я не расскажу, пока статью не опубликуем.

[КШ] Фотоника — такая всеобъемлющая область. Как изменится наша жизнь, если все изобретения физиков-оптиков начнут применяться? 

[МЩ] Можно поразмышлять над тем, как изменится кино и в целом визуальное искусство. Сейчас инженеры работают над созданием объёмной цветной голографии. Это сложно, но может получиться. Какое-то время назад, используя принципы наноструктурирования материалов, мы сделали среду, которая очень хорошо поляризует свет.

Известная штука 3D-кино и очки для него. На экран выводятся два изображения, одно поляризовано вертикально, другое горизонтально. Когда я надеваю эти очки, один мой глаз воспринимает только первое изображение, другой — только второе. На стёкла в трёхмерных очках нанесена поляризующая плёнка толщиной чуть меньше миллиметра, это много. Так вот, нам было интересно создать очень тоненькую плёнку, которую можно было бы приладить к контактной линзе и вставить в глаз. И мы сделали-таки материал толщиной 30 нанометров, который очень хорошо поляризует свет.

Крутые разработки есть в музыке. Например, учёные из Канады сделали оптический звукосниматель для гитары. Я сам музыкант, играю в джазовой группе на гитаре, и такие изобретения меня радуют. А вообще фотоника — она и правда повсюду. Новость про воду на Марсе слышали?

[КШ] Разумеется.

[МЩ] Так ведь это открытие было бы невозможно без фотоники. Спектроскопия, которая использовалась для изучения поверхности Марса, — тоже часть фотоники. Свет — то, при помощи чего люди начали изучать мир ещё в древности, и до сих пор продолжают.

[КШ] А теперь не про физику, а скорее про метафизику. Вы упомянули, что любите играть джаз. Как сочетаются в твоей голове нанофотоника и музыка? 

[МЩ] Не задумывался раньше, но, кажется, могу объяснить. И свет, и звук — это волны. Поэтому понимание процессов в одной области позволяет по-новому взглянуть на другую. Вот очень условный пример: если я знаю, как применить Фурье-анализ для изучения свойств фемтосекундных лазерных импульсов, то мне проще разобраться, как работать со спектром звука. Мне легче понять, как тот или иной звуковой эффект влияет на звучание, если знать его Фурье-образ. Таких аналогий между оптикой и акустикой можно привести очень много. Например, и лазер, и гитара — это резонаторы. И так далее.

[КШ] Но почему джаз? 

[МЩ] По-моему, этот стиль больше всего подходит учёному. Я бы назвал джазовую музыку и экспериментальную физику «подготовленной импровизацией». Джазмен перед выступлением продумывает, какую мелодию, или, как её называют, тему, он будет играть в самом начале. А что последует дальше, зависит от большого количества факторов: других музыкантов, звука в зале, настроения, отклика публики, погоды — от чего угодно. Но одно должно оставаться неизменным, чтобы всё получилось: надо уметь играть. В научной работе то же самое. 

Фото: Shutterstock

Отечественные проекты в нанофотонике

Фотоника — очень широкая научно-инженерная область. В разных городах России оптическими экспериментами и разработками занимаются десятки лабораторий и компаний. Чтобы перечислить все эти проекты, не хватит и целого номера «Кота Шрёдингера». Но мы всё же представляем некоторые из них, дабы на примерах показать, каким разнообразным может быть применение фотонных технологий. 

***

Лучше ловить солнце

Разработка Преобразователи солнечной энергии из новых материалов на основе плотно упакованных нанокристаллов

Где делают Кафедра оптической физики и современного естествознания, Университет ИТМО, Санкт-Петербург.

В чём польза Помогут создать более эффективные солнечные батареи, принимающие волны в инфракрасном диапазоне (800–2000 нм), а также более совершенные устройства для визуализации инфракрасных изображений, например приборы ночного видения и телевизоры.

***

Манипулировать живыми клетками

Разработка Лазерные скальпели и перфораторы

Где делают Компания «СВД.Спарк», созданная Институтом общей физики им. А.М. Прохорова РАН и нанотехнологическим центром «Техноспарк», Троицк.

В чём польза Манипулирование живыми клетками с помощью лазерного излучения. Применение лазерного перфоратора при искусственном оплодотворении (ЭКО).

*** 

Найти проблему в человеке и материале

Разработка Терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированных кристаллов сапфира

Где делают Лаборатория терагерцовой оптотехники МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва. Лаборатория профилированных кристаллов Института физики твёрдого тела РАН, Черноголовка.

В чём польза Производство медицинских приборов для диагностики злокачественных новообразований в организме, а также эндоскопов для поиска дефектов в конструкциях из композитных материалов и керамики.

***

Искать болезни и галактики

Разработка Компоненты спектрометров и акустооптических приборов для диагностики онкологических заболеваний

Где делают Лаборатория «Физические методы, акустооптическая и лазерная аппаратура для задач диагностики и терапии онкологических заболеваний» и научно-технологический и учебный центр акустооптики НИТУ «МИСиС», Москва.

В чём польза Позволят создать более эффективные системы диагностики рака, а также аппараты для адронной терапии. Могут применяться в спектрометрах для исследования таких астрономических объектов, как квазары, сейфертовские галактики, планетарные туманности.

***

Безболезненно прокалывать кожу

Разработка Лазерный перфоратор для забора крови

Где делают «НСЛ» — компания нанотехнологического центра «Техноспарк», Троицк.

В чём польза Возможность бесконтактно и почти безболезненно прокалывать кожу для забора крови из пальца для медицинских анализов.

***

Быстро считать и анализировать

Разработка Миниатюрные генераторы высокостабильных фемтосекундных лазерных импульсов (гребёнок)

Где делают Российский квантовый центр, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва.

В чём польза Могут использоваться для создания энергоэффективных и быстродейственных вычислительных устройств (компьютеров), средств спутниковой связи и ориентации в пространстве. Также могут стать ключевым компонентом портативных датчиков для исследования состава жидкостей и газов.

***

Сделать процессор на фотонах

Разработка Кремниевый нелинейный нанодиск

Где делают Лаборатория нанооптики и метаматериалов физического факультета МГУ, им. М.В. Ломоносова, Москва.

В чём польза Технология может лечь в основу оптических транзисторов для компьютеров, мобильных телефонов и других гаджетов.

***

Защитить связь

Разработка Компактные и энергоэффективные однофотонные источники инфракрасного излучения с электрической накачкой

Где делают Лаборатория нанооптики и плазмоники МФТИ, Москва.

В чём польза Возможность применения в защищённых с помощью квантовой криптографии линиях связи.

***

Искать нужное вещество

Разработка Чип на основе оксида графена

Где делают Лаборатория нанооптики и плазмоники МФТИ, Москва.

В чём польза С помощью такого чипа можно сделать биосенсор, который будет в разы чувствительнее аналогичных устройств. Он сможет обнаружить триллионные доли грамма вещества на площади в квадратный миллиметр, что актуально для фармацевтических исследований, медицинской диагностики и обнаружения токсинов в продуктах питания.

***

Чувствовать по-новому

Разработка Магнитоплазменные структуры (кристаллы)

Где делают Российский квантовый центр, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва.

В чём польза Такие кристаллы могут использоваться при создании биосенсоров и сенсоров магнитного поля нового поколения.

***

Определять глюкозу в крови

Разработка Неинвазивный лазерный глюкометр

Где делают Лаборатория терагерцовой биомедицины Международного института фотоники и оптоинформатики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург.

В чём польза Устройство позволит определять уровень глюкозы в крови безболезненно и без прокола кожи. 

Алена Лесняк

Источник

Читайте также:

СВЕТ, ПРЕОДОЛЕВАЮЩИЙ ЦИФРОВОЙ БАРЬЕР

 

КАК АЗИЯ МОНИТОРИТ СВОЮ ИНФРАСТРУКТУРУ

 

ТАНЕЦ ЭЛЕКТРОНОВ В ЖИВОЙ МАТЕРИИ