Одноэлектронный транзистор хорошо известен. Теперь сотрудники Harvard University (США), в том числе и М.Лукин, придумали однофотонный транзистор. Стимулом служила давняя мечта создать оптический компьютер взамен электронного (см. работу [1] и комментарий к ней [2]). Главное препятствие на этом пути состоит в том, что фотоны очень плохо взаимодействуют друг с другом. Эта же проблема существует и в оптическом квантовом компьютере.

Работа предложенного транзистора основана на эффекте трансформации объемной электромагнитной волны в поверхностную – поверхностный плазмон или поляритон. Поверхностный плазмон является гибридом объемной электромагнитной волны вне металла и плазменной волны в узком приповерхностном скин-слое. Двойственная природа поверхностного плазмона обеспечивает его сильную связь с фотонами над поверхностью.

Схема однофотонного транзистора представлена на рис. 1. Однофотонный источник рядом с металлической нанопроволокой помещены в волновод. По волноводу бегут фотоны подобно тому, как бегут электроны в канале обычного транзистора. Оказывается, что один фотон от источника может перекрывать этот поток. Это уже очень похоже на одноэлектронный транзистор.

Важно правильно выбрать расстояние от однофотонного источника до металлической нанопроволоки. Если его расположить слишком близко, то преимущественно будет возбуждаться нераспространяющаяся плазмонная мода (затухающая – evanescent mode). Если расположить слишком далеко, будет преимущественно излучаться объемный фотон – волноводная мода. Надо выбрать расстояние так, чтобы преимущественно возбуждался распространяющийся поверхностный плазмон.

Рис. 1. Схема однофотонного транзистора. Однофотонный источник (emitter), помещенный в волновод вблизи металлической нанопроволоки. На графиках представлены вероятности трех возможных процессов в зависимости от расстояния до нанопроволоки: испускание объемного фотона (синяя кривая), возбуждение затухающего плазмона в металле (красная линия) и возбуждение распространяющегося плазмона (зеленая линия).

Однофотонный источник является фактически двухуровневой системой, излучающей фотон при переходе электрона с возбужденного уровня на нижний уровень. В качестве такого источника может служить атом или квантовая точка. Если соблюдены условия резонанса излучаемого фотона, поверхностного плазмона и волноводного фотона, то дальше вступает в действие эффект, хорошо известный в физике волноводов. Если на пути волны поместить резонатор, то эта волна будет полностью отражаться, как от зеркала. Кстати, для электронных волн этот эффект известен как эффект Фано. Если у однофотонного излучателя существует еще третье состояние, выбивающее его из резонанса, то фотоны будут свободно проходить по волноводу. Вот и получаются два состояния однофотонного транзистора: «ON» и «OFF».

Хотя авторы имели в виду оптический компьютер, реализующий классические алгоритмы, представленная работа имеет выход и в область квантового компьютера. Фотоны, превращенные в плазмоны, сильно взаимодействуют, поскольку плазмоны это колебания зарядовой плотности, между которыми действуют кулоновские силы.

Автор – В. Вьюрков

• 1. D.E.Chang et al., Nature Physics 3, 807 (2007)
• 2. M.Orrit, Nature Physics 3, 755 (2007)