Našlápnuto k optickému tranzistoru  
Fyzikům se za pokojové teploty na ultratenké vrstvě polovodiče podařilo měnit polarizaci světla pomocí slabého elektromagnetického pole. Poznatek by mohl vést k vytvoření dlouho očekávaného tranzistoru, který místo toku elektronů pracuje se světlem.

 

Zvětšit obrázek
Telurid rtuti (HgTe). Chemicky jde o sloučeninu rtuti a teluru s vlastnostmi polovodiče. Vyskytuje se i v přírodě jako minerál koloradoit. Tmavé kovové inkluze v hornině pochází z dolu Bessie-G v Kolorádu (USA). (Kredit Shannon and sohn´s minerals)

Abstrakt (příliš odborné, možno přeskočit)
Krystalická binární (dvousložková) sloučenina řazená k chalkogenidům vykazuje na tenké vrstvě významný magneto-optický Faradayův efekt v terahertzovém rozsahu spektra.

 

Překlad do lidštiny

Zvětšit obrázek
Michael Faraday, syn kováře, později anglický fyzik, chemik a velký experimentátor. V roce 1845 objevil magnetické stáčení polarizační roviny (magneto-optický efekt - tzv. Faradayův efekt).

Podobně, jako když práskáte bičem se i světelné vlny mohou pohybovat v různých směrech – například se mohou  vlnit  nahoru a dolů, nebo jen zleva doprava. O takovém světle pak říkáme, že je polarizované. Fyzici na Vídeňské technické universitě se svými kolegy z Würzburgu přišli na způsob, jak polarizaci světla snadno ovlivnit. Dokázali to pomocí ultra tenké vrstvy polovodiče. Jde možná o průlomový poznatek, který otevře výpočetní technice zcela nové obzory s takzvanou optickou verzí elektronického tranzistoru. Výsledky experimentů zveřejnil časopis Physical Review Letters.

 

Proč tolik povyku kvůli něčemu co známe téměř dvě století?
Od roku 1845 se ví, že vlastnosti některých opticky prostupných látek lze magnetickým polem měnit. Přišlo se na to u boroolovnatého skla, které se používalo v dalekohledech. Když se takové sklo vložilo mezi póly elektromagnetu a nechalo se jím světlo procházet, vychylovalo se. Tento jev je dnes podle svého objevitele známý jako "Faradayův efekt." Nebo také „magnetooptický Faradayův jev“ či „Faradayova rotace“. Světlo lze tedy ovlivňovat silným magnetickým polem (polarizovat). Prochází-li látkou ve směru magnetického pole, lze vnějším polem stáčet jeho polarizační rovinu. Podrobněji se s tímto jevem lze seznámit například zde.  


Elektrotechniky zvedlo ze židle
prohlášení rakouského profesora Andreje Pimenova, který tvrdí, že dokáže manipulovat se světlem i za pokojové teploty a to pouze pomocí slabého elektromagnetického pole. Tajemstvím úspěchu je prý jednoduchá sloučenina. Přišel na ní se svým asistentem Alexejem Shuvaevem (Šuvajev) z Würzburgu, když experimentovali s látkou zvanou telurid. Nejde přitom o nic převratného, neboť v Ústavu pro fyziku tuhých látek ve Vídni i na jiných vědeckých pracovištích, se s touto látkou dělaly pokusy již v minulosti.

Zvětšit obrázek
Magnetickým polem lze na tenké vrstvě změnit charakter světelného paprsku. V okamžiku, kdy se změní polarizace, světlo neprojde přes polarizační filtr. (Kredit: Technische Universität Wien )

Úspěch vědcům přineslo  až použití extrémně čisté látky (HgTe), která se začala chovat jinak, než ta kontaminovaná. U čistého teluridu rtuti je účinek magnetického pole (Faradayův efekt) o dva řády vyšší, než jakého se dosud dosáhlo u zatím největšího přeborníka v tomto směru – sloučeniny india a antimonu. Její schopnost „zatočit se světlem“ (měrná stáčivost polarizační roviny charakterizovaná Verdetovou konstantou)  dosahuje 104 radiánů/Tesla. Čistý telurid rtuti je nyní ale stokrát lepší, což umožňuje světelné vlny snadno natáčet pomocí relativně levného a dostupného materiálu. Směr polarizace může být laděn pomocí slabého vnějšího magnetického pole a ultra-tenké vrstvy, jejíž tloušťka je menší než jedna tisícina milimetru. Obdobné vrstvy z jiných materiálů dokázaly změnit směr polarizace pouze o zlomek jednoho stupně. Nyní to je 45 stupňů. Pokud se po průchodu tenkou vrstvou paprsku světla ještě  navíc postaví do cesty polarizační filtr, který je pootočen tak, aby světelný paprsek se změněnou polaritou nepropustil, dostáváme systém, který dovolí paprsku projít jen v okamžicích, kdy bude souhlasit jeho konkrétní směr polarizace. A právě to by se mohlo stát svatým grálem konstruktérů budoucí elektroniky – řízení toku světelného paprsku ovlivňováním jeho polarizaci.


Čím to je, že paprsek světla mění svou polarizaci?

Zvětšit obrázek
Andrei Pimenov (vpravo), Technische Universität Wien a Alexej Shuvaev, Universität Würzburg

Klíčem k pochopení chování světla v polovodiči je oscilace elektronů. Polovodič telurid rtuti je látka pro světlo propustná. Účinkem paprsků světla v něm elektrony oscilují, ale pokud na ně začneme působit magnetickým polem, vychýlíme jejich vibrační pohyb. Pohyb elektronů pak ovlivní paprsek světla a změní směr jeho polarizace.


Optický tranzistor
O vídeňském experimentu se začíná mluvit jako o prvním funkčním základu optického tranzistoru. Opticky aktivní látkou je v něm vrstvička teluridu, která se ozařuje světlem z infračervené oblasti spektra. To znamená, že jde o frekvenci v terahertzové oblasti o níž se již dávno uvažuje, že by byla pro počítače budoucnosti nejvhodnějším řešením. Otázkou již není zda, ale kdy se vědcům podaří zvládnout všechna úskalí optických tranzistorů. Již dnes je jisté, že jakmile k tomu dojde, nastane revoluce. Všude tam, kde jsme odkázáni na pomoc stávajících tranzistorů, se již pomalu blížíme hranicím daným jejich technickými možnostmi - limitními možnostmi pohybu elektronů. Optický tranzistor by ten klasický poslal do muzea podobně jako šinkanzen koněspřežku.  I kdyby z toho pro tentokrát převratný tranzistor ještě nebyl, zcela jistě se efektu snadné polarizace světla začne využívat v lékařských a měřících přístrojích.

 

Prameny:  A. Shuvaev, G. Astakhov, A. Pimenov, C. Brüne, H. Buhmann, L. Molenkamp. Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range. Physical Review Letters, 2011; 106 (10) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.107404

Datum: 05.04.2011 09:19
Tisk článku

????????? svetLO / Koncepty světLO - ????????? ????, Kazanska Mila
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 80 Kč
cena: 75 Kč
????????? svetLO / Koncepty světLO
????????? ????, Kazanska Mila

Diskuze:

Omezení rozměry

Adolf Balík,2011-04-13 11:31:37

Zajímavý modulátor optické informace, i když bych to asi za tranzistor neoznačoval. A i s tím posíláním tranzistorů to moc horké nebude. Hlavně to nepůjde dělat moc malé, aby to mohlo konkurovat chipům. Všechny tyhle antimotidy india, arzenidy galia, teluridy rtuti atp. jsou sice super-polovodiči s úplně zázračnými vlastnostmi, které teoreticky měly extra-mizerný polovodič křemík poslat do výslužby nejpozději před 40 lety, ale nejde to. U ničeho neumíme dělat tak velké pravidelné krystalické struktury bez kazů, aby z toho šla dělat mikroelektronika. Každá součástka z HgTe bude tedy do překonání tohoto problému odsouzená být dost velká, a ten problém přetrvává už několik generací.

Odpovědět

Rychlost elektronů vs světlo

Jirka Kratochvil,2011-04-08 13:02:58

Rychlost elektronů (tzv. driftová rychlost) je sice jen v jednotkách dm/s, což je oproti světlu málo, ale předávaná informace se šíří rychlostí světla (Kvůli elektromagnetické interakci elektronů). Tzn. Revoluce by nebyla v rychlosti předávané informace, ale v tom, že bychom optickým tranzistorem mohli prohnat více vlnových délek. Pak by se optický transistor mohl chovat jako tisíce křemíkových transistorů paralerně zapojených.

Odpovědět

Snad spíše hradlo...?

Jirka Veselý,2011-04-06 20:13:52

Souhlasil bych s Milanem Bačíkem... Možná je to blbá analogie, ale to by bylo možné říkat tranzistor i elektromagnetickému ventilu na vodu...?

Odpovědět

Optický tranzistor

Milan Bačík,2011-04-06 11:54:39

Neměl by optický tranzistor být řízený světlem a ne magnetickým polem? Tento tranzistor nedokáže zesílit optický signál, aniž by se musel převézt na elektrický. Nijak tím nechci snižovat výnam objevu, ale těžko z něj uděláte čistě optický obvod.

Odpovědět

To je jiný princip

Josef Pazdera,2011-04-05 18:40:56

Takzvaný jednomolekulární optický tranzistor z Zurichu je něco jiného. V jejich případě šlo o použití laserového paprsku k navození změny kvantového stavu molekuly, jež pak interaguje se zářením a zeslabí nebo zesílí jiný laserový paprsek. Toto chování je velmi podobné vlastnostem konvenčních tranzistorů, u kterých je elektrický potenciál využíván k modulaci jiného signálu. I když se o optickém tranzistoru ze Švýcarska psalo v superlativech, bylo jasné, že jeho praktická použitelnost bude veeeeeeelmi sporná. Jejich „tranzistor“ pracuje jen při teplotě - 272 stupňů Celsia. Zatímco ve zde popsaném případě celý systém pracuje za pokojové teploty.

Odpovědět

Chtěl bych se zeptat

Jan Beran,2011-04-05 18:19:34

Vědci z ETH Zurich publikovali loni jednomolekulární optický tranzistor. V něm také má docházet k polaritě ale mělo se to týkat laserového světla. Je to totéž? Díky

Odpovědět

Nepresná terminológia

Julius Vanko,2011-04-05 17:58:21

Nie polaritu svetla, ale polarizáciu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace