Первый чип, позволяющий управлять светом при помощи волн звуковых колебаний

По законам физики, скорость света выше, чем скорость звука, поэтому во время грозы мы всегда слышим раскат грома уже после того, как сначала мы увидим саму молнию. Это происходит из-за того, что скорость звука в воздухе (331 метр в секунду) гораздо ниже скорости света (299 792 458 метров в секунду). И такая огромная разница в скоростях, на первый взгляд, не может допустить существования технологий управления потоком света при помощи звуковых волн.

Однако, исследователи из университета Миннесоты разработали чип, в структуре которого звуковые волны и свет производятся и объединяются таким способом, что становится возможным управление световым потоком при помощи звуковых колебаний. А это, в свою очередь, можно использовать при создании коммуникационных систем нового поколения, использующих оптоволокно, и, естественно, в области вычислений, использующих эффекты квантовой физики.

Оптико-акустический чип создан на кремниевой подложке, покрытой вместе с элементами оптических схем слоем нитрида алюминия, материала, проводящего электрический ток. Прикладывание к этому материалу переменного электрического тока заставляет этот материал периодически деформироваться и производить звуковые волны, распространяющиеся по его поверхности. Подобная технология получения высокочастотных звуковых волн известна уже давно и широко используется в устройствах, называемых микроволновыми фильтрами, применяемыми в мобильных телефонах и других беспроводных устройствах.

«Наша новая технология позволяет в одном слое материала объединить оптические схемы с акустическими устройствами, что, в свою очередь, позволяет получить сильное взаимодействие между светом и звуком», – рассказывает профессор из университета Миннесоты Мо Ли (Mo Li), возглавлявший данные исследования.

Для изготовления опытных образцов оптико-акустического чипа исследователи использовали современные методы нанопроизводства, при помощи которых было произведено множество крошечных электродов, шириной по 100 нанометров каждый. Такие габаритные размеры этих электродов-резонаторов позволяют получить в материале звуковые колебания с частотой, превышающей 10 ГГц, с частотой, превышающей частоты работы систем спутниковой связи.

«На таких высоких частотах длины волн звуковых колебаний уже сопоставимы с длинами волн света. И это реализовано в пределах одного чипа впервые в истории современной микроэлектроники, – рассказывает один из учёных, принимавших участие в данных исследованиях, Семере Тэдессе (Semere Tadesse). – При таком беспрецедентном режиме работы чипа звук может взаимодействовать со светом весьма эффективно, и это можно использовать для реализации крайне высокоскоростной модуляции света».

Возможность модуляции луча света со скоростью, намного превышающей возможности современных коммуникационных лазеров, открывает перед разработанной технологией весьма широкие двери в область оптических коммуникаций. Но помимо этого, такая технология должна суметь обеспечить взаимодействие звука с единичными фотонами и наоборот. А это, в свою очередь, позволит использовать высокочастотные звуковые волны в качестве носителя информации в квантовых вычислительных системах будущего.