Группа ученых из университета Рочестера (University of Rochester) и Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH), в которую вошли специалисты в области материаловедения и оптики, создали опытные образцы цепей, состоящих из серебряных нанопроводников и пластин двухмерного материала, дисульфида молибдена (MoS2). Такая комбинация материалов позволяет цепи эффективно проводить одновременно электричество и свет вдоль одного крошечного нанопроводника, что в будущем может быть использовано при создании процессоров будущего поколения, способных обрабатывать и передавать информацию со скоростью света.
Структура такой простейшей цепи представлена на приведенном выше рисунке. На свободном конце серебряного нанопроводника сфокусирован свет лазера, который возбуждает на поверхности металла особый вид электромагнитных колебаний облака свободных электронов, называемых плазмонами. При этом ученые обнаружили, что пластина MoS2, расположенная на другом конце нанопроводника, тут же начинает излучать яркий свет, длина волны которого совпадает с длиной волны света лазера.
Заинтересовавшись этим явлением, ученые изучили происходящие там процессы и выяснили, что перенос энергии через нанопроводник в данном случае осуществляется возбужденными электронами, облако из которых и представляет собой плазмон. Когда эти плазмоны перемещаются по поверхности нанопроводника, они распадаются, электроны сбрасывают излишки своей энергии и проходят через серебряный нанопроводник дальше в виде электрического тока. В районе пластины MoS2, энергия добравшихся туда плазмонов и электронов преобразуется в энергию излучаемых фотонов света, проходя через промежуточный этап формирования и распада экситонов, квазичастиц, состоящих из связанных свободного электрона и электронной дырки в полупроводнике.
Следует отметить, что данное явление становится возможным лишь благодаря тому, что дисульфид молибдена является материалом с явно выраженными полупроводниковыми свойствами. Наличие запрещенной зоны у этого материала позволяет преобразовать энергию электронов сначала в энергию экситонов, а затем и в энергию фотонов. Если вместо пластины MoS2 использовать пластину графена, то эффект переноса света работать не будет, так как у графена отсутствует запрещенная зона.
При переносе энергии движущимися по нанопроводнику плазмонами не обходится без потерь, в ходе экспериментов ученые выяснили, что при переносе энергии на два-три микрона (миллионных долей метра) теряется до третей части от изначального количества энергии. Тем не менее, в масштабах нанометровых расстояний кристаллов фотонно-электронных чипов такие потери будут очень малы и их наличие не будет играть большой роли.
В заключение следует заметить, что фотоэлектрические приборы и устройства могут работать намного быстрее и тратить при этом меньше энергии, нежели аналогичные электронные устройства. Но, узлы фотоэлектрических устройств, выполняющие фокусировку света и другие функции, не могут быть миниатюризированы до уровня их использования на кристаллах чипов. Эта проблема как раз и может быть решена при помощи нанопроводников, дисульфида молибдена, из которых можно будет изготавливать фотоэлектрические цепи, более сложные, чем цепь, использовавшаяся учеными в первых экспериментах для передачи света.
Следующими шагами, которые намерены предпринять ученые, будет создание сложных фотоэлектрических схем из нанопроводниковых цепей, в которые будут включены собственные светодиодные источники света. Эти схемы будут играть роль логических элементов, выполняющих определенные логические и арифметические действия, которые, как известно, являются базовыми элементами всей современной цифровой техники.
