Исследователи из Университета ИТМО использовали фемтосекундный лазер для создания оптического переключателя из металлорганических каркасов. Такие переключатели позволяют передавать закодированную информацию с помощью света, что в дальнейшем будет полезно для создания сверхбыстрых оптических элементов памяти. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

В научном сообществе возрастает интерес к оптическим элементам памяти. Эти устройства должны прийти на смену современным компонентам, в которых информация обрабатывается благодаря движению электронов. Фотонные элементы, предположительно, будут работать быстрее, эффективнее и менее ресурсозатратно. Однако для их создания необходимо решить целый ряд теоретических и инженерных проблем. Одна из них заключается в надежном и экономичном с энергетической точки зрения управлении светом.

«На сегодняшний день вся цифровая электроника строится на так называемых триггерах, — рассказывает младший научный сотрудник Университета ИТМО Никита Кулаченков. — Это такие устройства, которые позволяют переключаться между нулем и единицей. Для оптических устройств, которые в будущем могут прийти на смену нашим электронным, необходимы такие же переключатели».

Одна из возможностей создания таких устройств связана с использованием металлорганических каркасов (МОК). Это класс функциональных материалов, одновременно имеющих свойства кристаллических веществ и органических соединений. Для их применения в оптических элементах памяти важно, что МОК могут обладать фотохромными свойствами, то есть способны менять свои оптические свойства под воздействием света. Однако этот процесс длится довольно долго — от нескольких минут до нескольких дней, — что сильно ограничивает применение таких структур в качестве переключателей.

Исследователи из Университета ИТМО решили пойти по другому пути: они взяли стандартные металлорганические каркасы, которые не содержат фотохромных соединений и уже давно применяются в химической промышленности. Один из этих металлорганических каркасов оказался HKUST-1. Ранее его очень подробно исследовали с точки зрения газосорбции, но никто не мог подумать, что его свойства, а соответственно и структуру, можно сильно изменить действием света.

Проведя эксперименты с HKUST-1, ученые выяснили, что сверхкороткая вспышка ИК-лазера заставляет этот материал резко становиться менее прозрачным. Ученые показали, что количество проходящих через МОК фотонов сокращается примерно в сто раз. При этом время переключения составляет несколько десятков миллисекунд. Это на два-три порядка лучше, чем в существующих органических системах на основе МОК.

С точки зрения физики исследователи объясняют изменения следующим образом: фемтосекундного воздействия инфракрасного лазера оказывается достаточно, чтобы фактически выпарить внутриструктурную воду из материала. Это приводит к тому, что МОК становится менее прозрачным для лазерного света. Но при выключении излучения каркас снова начинает сорбировать молекулы воды из воздуха и возвращается в исходное состояние.