De toekomst van sneller, efficiëntere informatieverwerking kan eerder aan het licht komen dan aan elektriciteit. Marc Laurent, een postdoctoraal wetenschapper in materiaalkunde en techniek aan Stanford, is een stap dichter bij deze toekomst gekomen met een plan om een ​​fotondiode te maken - een apparaat dat licht maar in één richting laat stromen - die, in tegenstelling tot andere op licht gebaseerde diodes, klein genoeg is voor consumentenelektronica.

Het enige wat hij hoefde te doen was constructies ontwerpen die kleiner waren dan microscopisch klein en een fundamentele symmetrie van de natuurkunde doorbreken.

"Diodes zijn alomtegenwoordig in moderne elektronica, van leds (light emitting diodes) tot zonnecellen (voornamelijk leds lopen omgekeerd) tot geïntegreerde schakelingen voor computers en communicatie, " zei Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en senior auteur van het artikel waarin dit werk wordt beschreven, gepubliceerd 24 juli in Natuurcommunicatie . "Compact bereiken, efficiënte fotonische diodes is van het grootste belang om de volgende generatie computers mogelijk te maken, communicatie en zelfs energieconversietechnologieën."

Op dit punt, Dionne en Lawrence hebben de nieuwe fotondiode ontworpen en gecontroleerd met computersimulaties en berekeningen. Ze hebben ook de nodige nanostructuren gemaakt - de op maat gemaakte componenten die kleiner zijn dan microscopisch klein - en installeren de lichtbron waarvan ze hopen dat ze hun theoretische systeem tot leven zullen brengen.

"Een grootse visie is om een ​​volledig optische computer te hebben waar elektriciteit volledig wordt vervangen door licht en fotonen alle informatieverwerking aansturen, Lawrence zei. "De verhoogde snelheid en bandbreedte van licht zou snellere oplossingen mogelijk maken voor enkele van de moeilijkste wetenschappelijke, wiskundige en economische problemen."

Draaiend licht, wetten overtreden

De belangrijkste uitdagingen van een op licht gebaseerde diode zijn tweeledig. Eerst, volgens de wetten van de thermodynamica, licht moet vooruit bewegen door een object zonder bewegende delen, op precies dezelfde manier als het achteruit zou bewegen. Om het in één richting te laten stromen, zijn nieuwe materialen nodig die deze wet omverwerpen, het breken van wat bekend staat als tijdomkeringssymmetrie. Tweede, licht is veel moeilijker te manipuleren dan elektriciteit omdat het geen lading heeft.

Andere onderzoekers hebben deze uitdagingen eerder aangepakt door licht door een polarisator te laten lopen - waardoor de lichtgolven in een uniforme richting oscilleren - en vervolgens door een kristallijn materiaal in een magnetisch veld, die de polarisatie van licht roteert. Eindelijk, een andere polarisator die is afgestemd op die polarisatie luidt het licht naar buiten met een bijna perfecte transmissie. Als er licht in de tegenovergestelde richting door het apparaat gaat, er komt geen licht uit.

Lawrence beschreef de eenrichtingsactie van deze driedelige opstelling, bekend als een isolator van Faraday, vergelijkbaar met het nemen van een bewegende stoep tussen twee deuren, waar het trottoir de rol van het magnetische veld speelt. Zelfs als je probeerde achteruit te gaan door de laatste deur, het trottoir zou u meestal beletten de eerste deur te bereiken.

Om een ​​voldoende sterke rotatie van de lichtpolarisatie te produceren, dit soort diodes moeten relatief groot zijn - veel te groot om in consumentencomputers of smartphones te passen. Als een alternatief, Dionne en Lawrence bedachten een manier om rotatie in kristal te creëren met een andere lichtstraal in plaats van een magnetisch veld. Deze bundel is zo gepolariseerd dat het elektrische veld een spiraalvormige beweging aanneemt die, beurtelings, genereert roterende akoestische trillingen in het kristal die het een magnetisch spinvermogen geven en ervoor zorgen dat er meer licht naar buiten komt. Om de structuur zowel klein als efficiënt te maken, het Dionne-lab vertrouwde op zijn expertise in het manipuleren en versterken van licht met kleine nano-antennes en nanogestructureerde materialen die meta-oppervlakken worden genoemd.

De onderzoekers ontwierpen arrays van ultradunne siliciumschijven die in paren werken om het licht op te vangen en de spiraalvormige beweging te verbeteren totdat het zijn weg naar buiten vindt. Dit resulteert in een hoge transmissie in voorwaartse richting. Wanneer verlicht in de achterwaartse richting, de akoestische trillingen draaien in de tegenovergestelde richting en helpen elk licht dat probeert te ontsnappen teniet te doen. theoretisch, er is geen limiet aan hoe klein dit systeem zou kunnen zijn. Voor hun simulaties ze stelden zich structuren voor die zo dun waren als 250 nanometer. (Als referentie, een vel papier is ongeveer 100, 000 nanometer dik.)

Wat is mogelijk

Grote foto, de onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in hoe hun ideeën de ontwikkeling van hersenachtige computers kunnen beïnvloeden, neuromorfe computers genoemd. Dit doel vereist ook extra vooruitgang in andere op licht gebaseerde componenten, zoals lichtbronnen en schakelaars op nanoschaal.

"Onze nanofotonische apparaten kunnen ons in staat stellen om na te bootsen hoe neuronen berekenen, waardoor computers dezelfde hoge interconnectiviteit en energie-efficiëntie van de hersenen krijgen, maar met veel hogere rekensnelheden, ' zei Dionne.

"We kunnen deze ideeën in zoveel richtingen " zei Lawrence. "We hebben de grenzen van klassieke of kwantumoptische gegevensverwerking en optische informatieverwerking niet gevonden. Op een dag zouden we een volledig optische chip kunnen hebben die alles doet wat elektronica doet en meer."