İnqrid Fadelli tərəfindən , Phys.org

Stephanie Baum tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləriPurdue Universitetinin tədqiqatçıları tək fotonlu optik tranzistorun reallaşdırılması üçün mümkün bir yol olan tək foton intensivliyində modulyasiya nümayiş etdiriblər. Müəllif: Purdue Universiteti / Kevin Crisp

Son onilliklərdə mühəndislər işığa və onun əsas xüsusiyyətlərinə əsaslanan çoxsaylı texnologiyalar təqdim ediblər. Bunlara görüntüləmə, rabitə və informasiya emalını inkişaf etdirə bilən fotonik və kvant sistemləri daxildir.

Bu yeni texnologiyaların performansını indiyə qədər məhdudlaşdıran əsas çətinliklərdən biri də onların istehsalında istifadə olunan materialların əksəriyyətinin zəif optik qeyri-xətti olmasıdır. Bu, mahiyyət etibarilə onların müxtəlif intensivlikli işığa reaksiya olaraq güclü şəkildə dəyişməməsi deməkdir.

Güclü optik xəttilik, işıq əsaslı siqnalın xüsusiyyətlərini (məsələn, intensivliyini və ya yolunu) modulyasiya etməklə işıq və ya elektrik siqnallarını idarə edə bilən ultrasürətli optik açarların inkişafı üçün çox vacibdir. Xüsusilə, bu açarlar fiber optik əsaslı rabitə sistemlərinin, fotonik cihazların və kvant texnologiyalarının mərkəzi komponentləridir.

Purdue Universitetinin tədqiqatçıları bu yaxınlarda Nature Nanotechnology jurnalında dərc olunmuş bir məqalədə elektron uçqunu prosesindən istifadə edən bir silikon cihazında yalnız işığı (yəni, tamamilə optik modulyasiya) istifadə edərək işığı idarə etmək strategiyasını təqdim etdilər. Bu, enerjili bir elektronun digər elektronları atomlardan azad etmək üçün kifayət qədər enerji qazandığı və artan enerjili elektron kaskadı (yəni uçqun) yaratdığı bir zəncirvari reaksiyadır.

“Uzun illərdir ki, laboratoriyamızın əsas diqqəti plazmonik boşluqlara qoşulmuş bərk cisimli kvant emitterlərinə əsaslanan ultrasürətli tək foton mənbələrinin inkişafı olub – prinsipcə terahers tezliyində tək fotonlar yarada bilən sistemlər”, – məqalənin ilk müəllifi Demid Syçev Phys.org-a bildirib. “Lakin, foton dövrələrində bu cür yüksək sürətli mənbələrin üstünlükləri eyni dərəcədə sürətli tək fotonlu detektor olmadan tam şəkildə həyata keçirilə bilməz və bu da bizi bu tamamlayıcı istiqaməti araşdırmağa sövq etdi.”Eksperimental detallar. Mənbə: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02056-2

Ultra sürətli optik modulyator hazırlamaq üçün bir axtarış

Əvvəlki ədəbiyyatı nəzərdən keçirdikdən sonra Sychev və həmkarları THz tezliklərində (və hətta daha yüksək tezliklərdə) ultrasürətli femtosaniyəli impulsları aşkar etmək üçün yaxşı qurulmuş metodların mövcud olduğunu , lakin bu metodların məhdudiyyətlərinin olduğunu başa düşdülər. Xüsusilə, onlar yalnız yüksək güclü şüalardan istifadə edildikdə işləyir və tək foton səviyyəsində təsirsizdir.

Sıçev dedi: “Bu, bizi yalnız bir fotona cavab olaraq makroskopik optik şüanı dəyişdirə bilən ultrasürətli modulyator qurmağın mümkün olub-olmadığını düşünməyə vadar etdi. Belə bir sxemdə tək bir foton makroskopik şüanı modulyasiya edər və nəticədə yaranan dəyişiklik ultrasürətli ölçmə texnikası istifadə edilərək aşkar edilə bilər. Birlikdə bu proseslər tək fotonun son dərəcə yüksək sürətlə aşkarlanmasına imkan verərdi.”

Daha ətraflı araşdırma apardıqdan sonra tədqiqatçılar bütün optik modulyasiyanı etibarlı şəkildə təmin edə biləcək fiziki mexanizm müəyyən etdilər. Bu, elektron uçqunu effektidir və bir çox tək fotonlu detektorların işləməsinin əsasını təşkil edən fiziki bir fenomendir. Purdue Universitetindən professor Vladimir M. Şalaevin rəhbərlik etdiyi layihə optik modulyatorları elektron tranzistorları ilə əlaqələndirir.

Şalayev izah edir ki, “Tranzistorların ixtirası ötən əsrin ən diqqətəlayiq və təsirli kəşfi idi ki, bu da mövcud elektron texnologiyaların çoxsaylı tətbiqlərinə imkan yaratdı”.

” Fotonlar əla, misilsiz informasiya vahidləridir – onların kütləsi sıfırdır və son sürətdə – işıq sürətində yayılırlar. Beləliklə, əgər biz fotonlardan modulyasiya və kommutasiya üçün – hazırda elektron tranzistor tərəfindən həyata keçirilən funksiya – istifadə edə bilsək, məlumatları daha yüksək sürətlə emal edə və beləliklə, hesablama, rabitə, sensor və digər əlaqəli texnologiyalarda inqilab edə bilərik. Biz inanırıq ki, işimiz bu vacib istiqamətdə bir addımdır.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Silikonda elektron uçqunundan istifadə

Sıçev və həmkarları təcrübələrində tək foton səviyyəli intensivliyə malik bir şüanı silikona yönəltməklə güclü optik qeyri-xəttiliklər əldə etdilər. Bu, nəticədə elektron uçqununa səbəb oldu və enerjili bir elektron digər elektronların atomlardan azad olmasına səbəb oldu.

Sıçev izah etdi ki, “İstifadə etdiyimiz proses işığın intensivliyini ölçərkən standart fotodiodda baş verən prosesə çox bənzəyir. İşıq yarımkeçirici diodu işıqlandırdıqda, içərisində sərbəst hərəkət edə bilən materialın keçirici enerji zolağında enerjili, sözdə sərbəst elektronlar əmələ gətirir. Nəticədə, işıqlandırılmış yarımkeçirici daha çox “metal” olur və elektrik keçiriciliyini artırır. Bu dəyişiklik fotodiodun işləməsi üçün əsas olan xarici elektrik dövrəsi vasitəsilə aşkar edilə bilər.”

İstifadə etdikləri silikon əsaslı yarımkeçiricinin metal kimi davranışının artması həm onun elektrik, həm də optik xüsusiyyətlərinə təsir göstərir. Metal materialların işığı daha yaxşı əks etdirdiyi məlum olduğundan, diodun işıqlandırılması onun əks etdirmə qabiliyyətini də dəyişdirir. Əvvəlki tədqiqatlar göstərdi ki, bu effektdən tam optik modulyasiyanı həyata keçirmək üçün istifadə etmək olar.

Sıçev bildirib ki, “Əhəmiyyətli olan odur ki, yaranan sərbəst elektronların sayı nə qədər çox olarsa, ‘metallıq’ bir o qədər güclü olar, yəni effekt udulmuş fotonların sayı ilə ölçülür. Lakin bu yanaşma yalnız yüksək intensivlikli şüalar üçün işləyir və tək foton səviyyəsində tamamilə uğursuz olur. Tək bir foton yalnız bir elektron yaradır – cihazın optik və ya elektrik reaksiyasına ölçülə bilən təsir göstərmək üçün çox kiçik bir dəyişiklik. Bu səbəbdən birbaşa yanaşma aşağı güclü və ya kvant tətbiqləri üçün praktik deyil.”

Əvvəllər təklif olunan metodların məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq və tək foton rejimində tam optik modulyasiyanı effektiv şəkildə həyata keçirmək üçün Syçev və həmkarları elektron vurma prosesindən istifadə etdilər. Uçqun prosesi diodlara yüksək gərginlik tətbiq etməklə həyata keçirildi.

Sıçev bildirib ki, “Tək bir foton bir sərbəst elektron yaratdıqda, güclü elektrik sahəsi onu sürətləndirir və daha çox enerji qazanmasına imkan verir. Daha sonra bu elektron əlavə enerjili elektronlar yaradır ki, onlar da öz növbəsində sürətlənir və daha çox elektron istehsal edir və ilkin tək fotondan çoxlu sayda sərbəst elektron populyasiyasının yaranmasına səbəb olan uçqun prosesini başlayır.”

Tədqiqatçılar tərəfindən istifadə edilən elektron uçqunu effektinin, silikondakı sərbəst elektronların sıxlığını sürətlə artırdığı və hətta yalnız bir foton udulduqda belə, onun “metallığını” artırdığı aşkar edilmişdir. Daha sonra komanda cihazlarına ikinci bir şüa göndərdi və cihazın ilkin idarəetmə şüası tərəfindən tetiklenen əks olunan intensivlikdəki dəyişikliyi də yaşadığını göstərdi.

Sıçev bildirib ki, “Bu davranış effektiv şəkildə fotonik tranzistoru təqlid edir, burada tək foton səviyyəli siqnal makroskopik optik şüanı modulyasiya edir”.

Yeni modulyasiya strategiyasının üstünlükləri

Tədqiqatçılar tərəfindən tətbiq edilən optik modulyasiya strategiyasının, silikon cihazlarının qeyri-xətti refraktiv əmsalını əhəmiyyətli dərəcədə artırdığı aşkar edilmişdir. Materialın əks etdirmə qabiliyyətinin digər məlum materiallarda müşahidə ediləndən xeyli yüksək olduğu aşkar edilmişdir.

Sıçev dedi: “Qeyd etdiyimiz prinsip, güclərindən və ya dalğa uzunluğundan asılı olmayaraq, iki optik şüa arasında güclü qarşılıqlı təsirlər yaratmaq qabiliyyəti ilə unikaldır. Bir çox tək foton səviyyəli yanaşmalar – məsələn, optik boşluqlara qoşulmuş kvant emitentləri – iki zəif şüa arasındakı qarşılıqlı təsirləri vasitəçilik edə bilsə də, digər metodların əksəriyyəti yalnız makroskopik güc səviyyələrində tam optik modulyasiyaya imkan verir. Bununla belə, tək foton səviyyəli şüanın yüksək güclü, makroskopik şüanı etibarlı şəkildə idarə edə və ya modulyasiya edə biləcəyi demək olar ki, heç bir yanaşma yoxdur.”

Komandanın yanaşmasının digər bir üstünlüyü, yarımkeçiricilərin daxili, yerli xüsusiyyətlərinə əsaslanmasıdır. Buna görə də, prinsipcə, xarici elektron komponentlərin tətbiqi ilə bağlı məhdudiyyətləri aradan qaldırmalıdır.

Sıçev bildirib ki, “Gələcək tətbiqlərdə prinsipimiz sub-THz və THz saat tezliyini təmin edə bilər. Bundan əlavə, yanaşmamız otaq temperaturunda işləyir, optik boşluq tələb etmir və CMOS istehsalı ilə tam uyğundur.”

Fotonik və kvant cihazlarının inkişafına təkan vermək

Gələcəkdə tədqiqatçılar tərəfindən təklif edilən elektron uçqun əsaslı optik modulyasiya strategiyası daha da təkmilləşdirilə və yeni ultra sürətli optik açarlar yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Bu açarlar da öz növbəsində fotonik dövrələri və kvant informasiya texnologiyalarını genişləndirmək üçün istifadə edilə bilər.

Sıçev bildirib ki, “Ümumilikdə yanaşmamızın xüsusiyyətləri onu ultra sürətli, genişmiqyaslı tam optik fotonik dövrələrin qurulması üçün ideal hala gətirir. Bu cür texnologiyalar hesablama və rabitə də daxil olmaqla müxtəlif informasiya emalı vəzifələrində istifadə edilə bilər. Onlar həmçinin biogörüntüləmə, lazer və əlaqəli fotonik tətbiqlər kimi güclü optik qeyri-xəttilik tələb edən digər sahələrə də tətbiq oluna bilər.”

Tədqiqatçılar tərəfindən tətbiq edilən metod qarşılıqlı təsir göstərən şüalar arasındakı uyğunluğu qoruyub saxlamır. Buna baxmayaraq, ilkin nəticələr göstərir ki, bu metod son dərəcə yüksək saat tezliyində işləyən bütün optik kvant dövrələrinin reallaşdırılmasına imkan verə bilər.

Sıçev bildirib ki, “Müvafiq protokollarla bu, hətta müəyyən fotonik kvant qapılarının tətbiqinə də kömək edə bilər. Bu mərhələdə biz bu cür modulyasiyanın həqiqətən mümkün olduğunu göstərən prinsipial sübut nəticəsini nümayiş etdirdik. Bu ilkin nümayiş üçün biz bu məqsəd üçün heç bir şəkildə optimallaşdırılmamış kommersiya tək fotonlu detektordan istifadə etdik. Biz inanırıq ki, əsas ideyanın böyük potensialı var, lakin praktik tək fotonlu açarın həyata keçirilməsi üçün əhəmiyyətli dərəcədə əlavə inkişaf tələb olunacaq.”

Gələcəkdə tədqiqatçılar real cihazlarda yerləşdirilə bilən tək fotonlu açar yaratmaq üçün təklif etdikləri strategiyanı inkişaf etdirməyə ümid edirlər. Bunu etmək üçün əvvəlcə əlavə nəzəri və təcrübi tədqiqatlar aparmalıdırlar.

Sıçev əlavə etdi: “Əsasən, uçqun prosesinin zaman və məkanda necə inkişaf etdiyini daha dərindən anlamağa çalışacağıq. Mühəndislik baxımından cihaz həndəsəsində, diod dizaynında, fotonik strukturlara qoşulmada, müxtəlif elektrik rejimlərinin araşdırılmasında və yeni materialların qiymətləndirilməsində irəliləyişlər tələb olunacaq. Biz bu konsepsiyanın tamamilə yeni bir tədqiqat istiqaməti aça biləcəyini və nəticədə həm kvant, həm də klassik tətbiqlər üçün tam optik fotonik dövrələrə imkan verəcəyini düşünürük.”

Müəllifimiz İnqrid Fadelli tərəfindən sizin üçün yazılmış, Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmiş və Robert Egan tərəfindən faktlar yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmiş bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Bu reportaj sizin üçün vacibdirsə, xahiş edirik ianə etməyi düşünün (xüsusilə aylıq). Təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .

Daha çox məlumat: Demid V. Sychev və digərləri, Elektron uçqunu istifadə edərək tək fotonlarla tam optik modulyasiya, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02056-2 .

Jurnal məlumatı: Təbiət Nanotexnologiyası 

© 2025 Science X Network