Всем известно, что во время грозы мы всегда слышим раскат грому 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 Мо Ли (Mo Li), профессор из университета Миннесоты, 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 Семере Тэдессе (Semere Tadesse), один из ученых, принимавших участие в данных исследованиях, — «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.