От цифровой логики к оптической: ученые продемонстрировали работу первого химически синтезированного оптического ключа

Фото: http://knvsh.gov.spb.ru

Фото: http://knvsh.gov.spb.ru

20 Мая 2020

От цифровой логики к оптической: ученые продемонстрировали работу первого химически синтезированного оптического ключа

Сегодня перед учеными всего мира стоит задача по созданию оптических переключателей. Эти устройства позволят с помощью света передавать информацию двоичным кодом, что в будущем будет полезно для создания сверхбыстрых оптических элементов памяти. Ученые из Университета ИТМО показали, как с помощью фемтосекундного лазера сделать такой переключатель из металлорганических каркасов, которые можно синтезировать в пробирке и которые обычно используются в химии для абсорбции газов. Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie. 

Физики, инженеры и программисты всего мира все чаще говорят о перспективах так называемых оптических элементов памяти. Эти устройства должны прийти на смену современным устройствам, в которых информация обрабатывается за счет движения электронов. Предполагается, что вычислительные машины, работающие на фотонах, будут работать быстрее, эффективнее, а главное тратить меньше энергии. Однако для того, чтобы приблизиться к воплощению этих смелых планов, необходимо решить целый ряд теоретических и инженерных задач. Одна из них – надежное и неэнергозатратное управление светом вкупе с низкой стоимостью.
«Сейчас вся цифровая электроника строится на так называемых триггерах, – объясняет младший научный сотрудник Университета ИТМО Никита Кулаченков, – это устройства для переключения между двумя состояниями – 0 и 1. Для оптических устройств, которые в будущем могут прийти на смену нашим электронным устройствам, нам также нужен такой переключатель». 
Один из вариантов для такого переключателя – металлорганические каркасы (metal-organic frameworks или MOF). Это класс функциональных материалов, которые имеют одновременно свойства веществ с кристаллической решеткой и органических соединений. Однако для перспектив создания оптической вычислительной техники особенно важно то, что некоторые MOF содержат специальные фотохромные соединения, способные менять свои оптические свойства под воздействием света. Но этот процесс как правило очень длительный, он занимает от нескольких минут до нескольких дней, что сильно ограничивает применение таких структур в качестве переключателей. 
Группа ученых из российско-французской лаборатории (рук. Миличко В.А.) Университета ИТМО решила пойти по другому пути – исследователи взяли стандартные металлорганические каркасы, не содержащие фотохромных соединений, которые уже давно используют в химической промышленности.
«Мы решили, а почему бы не взять серию MOF, которые демонстрируют свойства изменения структуры под внешними воздействиями, будь то давление, температура или какие-либо еще, – рассказывает Никита Кулаченков, – один из этих металлорганических каркасов оказался HKUST-1. С ним очень много работали в области газосорбции, но никто не мог подумать, что его свойства, а соответственно и структура, могут быть сильно изменены при воздействии света».
Эксперименты с металлорганическими каркасами HKUST-1 показали, что при воздействии сверхкороткой вспышки ИК-лазера этот MOF резко начинает хуже пропускать пущенный через него свет. «Количество фотонов, проходящих через MOF, сократилось примерно в сто раз, – поясняет Кулаченков, – при этом время переключения составило несколько десятков миллисекунд. Это на два-три порядка лучше, чем в существующих органических системах на основе MOF».
Физически изменение объясняется следующим образом: фемтосекундного воздействия инфракрасного лазера оказывается достаточно, чтобы фактически выпарить воду из металлорганического каркаса. Это приводит к тому, что MOF становится менее прозрачным для лазерного света. Однако стоит только выключить свет, как каркас снова абсорбируют молекулы воды из воздуха и возвращается в исходное состояние. 

Статья: 
Valentin A Milichko, Nikita K. Kulachenkov, Dapeng Sun, Yuri A. Mezenov, Andrei N. Yankin, Sergey Rzevskiy, Vyacheslav Dyachuk, Alexandre Nominé, Ghouti Medjahdi, Evgeny A. Pidko.
Photochromic Free MOF‐Based Near‐Infrared Optical Switch.
Angewandte Chemie, https://doi.org/10.1002/anie.202004293
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202004293
Источник:  http://knvsh.gov.spb.ru
Короткая ссылка на новость: https://www.nstar-spb.ru/~YefEh


Газета «Санкт-Петербургский вестник высшей школы»

Санкт-Петербургский вестник высшей школы

музыкальный вестник