Оптический нанокоммутатор бьет рекорды миниатюризации

Новое сверхминиатюрное устройство, созданное коллективом ученых из Университета Вандербильта, Университета Алабама-Бирмингем и Лос-Аламосской Национальной Лаборатории, состоит из индивидуальных коммутаторов с габаритами, составляющими всего 1/500 диаметра человеческого волоса (200 нм), и может включаться и выключаться триллионы раз в секунду — в тысячу раз быстрее, чем новейшие коммерческие оптические коммутаторы Hewlett-Packard и IBM. Оно описывается в статье, которая опубликована 12 марта в журнале Nano Letters.

Преодолеть технологический барьер на пути к дальнейшему уменьшению размеров оптических коммутаторов удалось благодаря изобретению метаматериала, со свойствами, не встречающимися в природе. Новый метаматериал состоит из наночастиц диоксида ванадия (VO₂), вещества, способного быстро переключаться между прозрачной полупроводниковой фазой и непрозрачной — металлической. Они наносятся на стеклянную основу и накрываются «наносетью» из мельчайших частиц золота.

При облучении такой конструкции сверхкороткими лазерными импульсами, в золотой наносетке генерируются горячие электроны. Перескакивая в диоксид ванадия они инициируют в нем фазовые изменения, занимающие несколько триллионных долей секунды.

«До этого мы вызывали этот переход в наночастицах диоксида ванадия непосредственно лазерами, и решили проверить, можно ли это осуществить также электронами, — говорит Ричард Хаглунд (Richard Haglund), профессор физики в Университете Вандербильта. — Оказалось, что ввод горячих электронов из золотых наночастиц не только инициирует трансформацию, но при этом расходуется в 5-10 раз меньше энергии, чем при прямом облучении лазером чистого VO₂».

Сочетание характеристик коммутаторов на основе диоксида ванадия делает их идеальными для оптоэлектронных приложений. Наряду с быстродействием и малыми габаритами они полностью совместимы с современными технологиями интегральных схем, как кремниевых, так и на базе «high-K» диэлектриков, работают в видимом и близком инфракрасном диапазонах, оптимальных для телекоммуникаций. Помимо того, коммутаторы имеют достаточно низкое тепловыделение, примерно 100 фемтоджоулей на бит (десять триллионных калории), что позволяет создавать практические устройства с высокой плотностью монтажа.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI