De afgelopen vier decennia heeft de elektronica-industrie is gedreven door wat de "wet van Moore" wordt genoemd, " wat geen wet is maar meer een axioma of observatie. Effectief, het suggereert dat de elektronische apparaten ongeveer elke twee jaar in snelheid en capaciteit verdubbelen. En inderdaad, elk jaar komen techbedrijven met nieuwe, sneller, slimmere en betere gadgets.

specifiek, De wet van Moore, zoals verwoord door Intel-medeoprichter Gordon Moore, is dat "Het aantal transistors dat in een chip is verwerkt, ongeveer elke 24 maanden zal verdubbelen." transistoren, uiterst kleine elektroschakelaars, zijn de fundamentele eenheid die alle elektronische gadgets aandrijft die we kunnen bedenken. Naarmate ze kleiner worden, ze worden ook sneller en verbruiken minder elektriciteit om te werken.

In de technologische wereld, een van de grootste vragen van de 21e eeuw is:hoe klein kunnen we transistors maken? Als er een grens is aan hoe klein ze kunnen worden, kunnen we een punt bereiken waarop we niet langer kunnen doorgaan met het kleiner maken, krachtiger, efficiëntere apparaten. Het is een sector met alleen al in de VS meer dan 200 miljard dollar aan jaarlijkse inkomsten. Zou het kunnen stoppen met groeien?

Dicht bij de limiet komen

In het nu, bedrijven als Intel produceren transistors met een diameter van 14 nanometer - slechts 14 keer breder dan DNA-moleculen. Ze zijn gemaakt van silicium, het op één na meest voorkomende materiaal op onze planeet. De atoomgrootte van silicium is ongeveer 0,2 nanometer.

De transistors van vandaag zijn ongeveer 70 siliciumatomen breed, dus de mogelijkheid om ze nog kleiner te maken wordt zelf kleiner. We komen heel dicht bij de limiet van hoe klein we een transistor kunnen maken.

Momenteel, transistors gebruiken elektrische signalen - elektronen die van de ene plaats naar de andere gaan - om te communiceren. Maar als we licht konden gebruiken, opgebouwd uit fotonen, in plaats van elektriciteit, we zouden transistors nog sneller kunnen maken. Mijn werk, over het vinden van manieren om op licht gebaseerde verwerking te integreren met bestaande chips, maakt deel uit van die ontluikende inspanning.

Licht in een chip plaatsen

Een transistor bestaat uit drie delen; beschouw ze als onderdelen van een digitale camera. Eerst, informatie komt in de lens, analoog aan de bron van een transistor. Vervolgens gaat het door een kanaal van de beeldsensor naar de draden in de camera. En tenslotte, de informatie wordt opgeslagen op de geheugenkaart van de camera, die de "afvoer" van een transistor wordt genoemd - waar de informatie uiteindelijk terechtkomt.

Direct, dat gebeurt allemaal door elektronen te verplaatsen. Om licht als medium te vervangen, we moeten in plaats daarvan fotonen verplaatsen. Subatomaire deeltjes zoals elektronen en fotonen reizen in een golfbeweging, op en neer trillen, zelfs als ze in één richting bewegen. De lengte van elke golf hangt af van waar hij doorheen reist.

In silicium, de meest efficiënte golflengte voor fotonen is 1,3 micrometer. Dit is erg klein - een mensenhaar is ongeveer 100 micrometer in doorsnee. Maar elektronen in silicium zijn nog kleiner - met golflengten van 50 tot 1, 000 keer korter dan fotonen.

Dit betekent dat de apparatuur om met fotonen om te gaan groter moet zijn dan de elektronische apparaten die we tegenwoordig hebben. Dus het lijkt misschien alsof het ons zou dwingen grotere transistors te bouwen, in plaats van kleinere.

Echter, om twee redenen, we zouden chips van dezelfde grootte kunnen houden en meer verwerkingskracht kunnen leveren, chips krimpen terwijl ze hetzelfde vermogen leveren, of, mogelijk beide. Eerst, een fotonische chip heeft maar een paar lichtbronnen nodig, het genereren van fotonen die vervolgens met hele kleine lenzen en spiegels rond de chip kunnen worden gericht.

En ten tweede, licht is veel sneller dan elektronen. Gemiddeld kunnen fotonen ongeveer 20 keer sneller reizen dan elektronen in een chip. Dat betekent computers die 20 keer sneller zijn, een snelheidsverhoging die met de huidige technologie ongeveer 15 jaar zou duren.

Wetenschappers hebben de afgelopen jaren vooruitgang in de richting van fotonische chips aangetoond. Een belangrijke uitdaging is ervoor te zorgen dat de nieuwe op licht gebaseerde chips kunnen werken met alle bestaande elektronische chips. Als we erachter kunnen komen hoe we dit moeten doen - of zelfs op licht gebaseerde transistors gebruiken om elektronische transistoren te verbeteren - zouden we een aanzienlijke prestatieverbetering kunnen zien.

Wanneer kan ik een op licht gebaseerde laptop of smartphone krijgen?

We hebben nog een lange weg te gaan voordat het eerste consumentenapparaat op de markt komt, en vooruitgang kost tijd. De eerste transistor werd gemaakt in het jaar 1907 met behulp van vacuümbuizen, die typisch tussen de één en zes centimeter lang waren (gemiddeld 100 mm). Tegen 1947, het huidige type transistor - degene die nu slechts 14 nanometer groot is - werd uitgevonden en was 40 micrometer lang (ongeveer 3, 000 keer langer dan de huidige). En in 1971 was de eerste commerciële microprocessor (de krachtpatser van elke elektronische gadget) 1, 000 keer groter dan de huidige toen het werd uitgebracht.

De enorme onderzoeksinspanningen en de daaruit voortvloeiende evolutie in de elektronica-industrie beginnen pas in de fotonische industrie. Als resultaat, de huidige elektronica kan taken uitvoeren die veel complexer zijn dan de beste huidige fotonische apparaten. Maar naarmate het onderzoek vordert, het vermogen van het licht zal inhalen, en uiteindelijk overtreffen, snelheden van de elektronica. Hoe lang het ook duurt om er te komen, de toekomst van fotonica ziet er rooskleurig uit.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.