Исследователи из американского Национального Института
Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST)
создали пьезо-оптомеханическое устройство, способное выполнять преобразование
оптических, акустических и радиосигналов в любой комбинации и в любом
направлении. Это устройство может стать основой систем, при помощи которых
будет производиться передача и хранение информации в компьютерах следующих
поколений, включая фотонные и квантовые компьютеры.
Нашим постоянным читателям наверняка известно понятие
закона Гордона Мура, который определяет то, что количество транзисторов и
вычислительная мощность микропроцессоров удваивается каждые два года. Но в
последнее время размеры транзисторов, за счет чего осуществляется увеличение их
числа и увеличение производительности процессоров, приблизилось к пределам,
определяемым некоторыми физическими законами. Поэтому исследователи находятся в
поисках альтернативных методов передачи и обработки информации, и одним из
таких методов является использование света и акустических колебаний. Но
говорить о практическом использовании нетрадиционных сред в качестве носителей
информации можно будет лишь после того, как будут созданы устройства,
выполняющие эффективное преобразование сигналов одного типа в другой.
Именно таким устройством-преобразователем и является
созданное учеными NIST пьезо-оптомеханическое устройство. Его основой является
"оптомеханическая впадина", роль которой выполняет наноразмерная
"стоячая" волна луча света. В районе этого луча создано несколько
отверстий, которые выступают в роли зеркальных ловушек для фотонов. Фотоны
света определенной частоты отражаются тысячи раз от этих зеркал, прежде чем им
удается покинуть пределы луча, а расстояние между зеркалами ограничивает
частоту механических колебаний, создаваемых отражаемыми фотонами, миллиардами
циклов в секунду (гигагерцами). Фотоны и кванты механических колебаний, фононы,
постоянно обмениваются энергией, что позволяет наращивать количество фотонов,
пойманных в ловушку, а увеличение количества фотонов приводит к увеличению
амплитуды механических колебаний. Силы этого обоюдного взаимодействия или
сцепления являются самыми сильными среди всех созданных ранее оптомеханических
систем.
Одним из главных моментов устройства являются
акустические волноводы, присоединенные к оптической ловушке, которые направляют
фононы акустических колебаний по заданному пути. Направляя созданные снаружи
фононы в район оптической впадины, можно управлять параметрами движения наноразмерного
луча света. А накачивая оптическую ловушку фотонами с определенными
характеристиками, можно превратить устройство в генератор фононов.
Кроме этого, в состав устройства включены элементы из
пьезоэлектрического материала, который под воздействием переменного
электрического поля может создавать механические колебания очень высокой
частоты. А специальный элемент-преобразователь (interdigitated transducer, IDT)
позволяет увеличить эффективность пьезоэлектрического эффекта. При помощи этих
элементов реализована взаимосвязь между радиоволнами и акустическими
колебаниями, которые можно использовать в качестве самостоятельных носителей
информации или для управления потоком излучаемого устройством света.
Созданное учеными устройство позволяет реализовать даже
самые экзотические варианты преобразования типов сигналов. К примеру, при его
помощи можно получить кванты механических колебаний, параметры которых зависят
от параметров всего двух взаимодействующих во впадине фотонов света.
"Будущие системы обработки информации должны включать в себя различные
типы носителей информации, которые оптимально подходят для решения той или иной
конкретной задачи" - рассказывает Картик Сринивэсан (Kartik Srinivasan),
ученый из Научно-исследовательского центра нанотехнологий (NIST Center for
Nanoscale Science and Technology), - "Наша разработка как раз и является
платформой, которая позволяет выполнить передачу информации от носителей одного
типа к носителям других типов".
