Onderzoek geleid door het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge heeft een materiaal geïdentificeerd dat kan helpen snelheid en energie aan te pakken, de twee grootste uitdagingen voor computers van de toekomst.

Onderzoek op het gebied van op licht gebaseerd computergebruik - waarbij licht in plaats van elektriciteit wordt gebruikt om berekeningen te maken die de grenzen van de huidige computers overschrijden - gaat snel, maar er blijven barrières bestaan ​​bij de ontwikkeling van optische schakelingen, het proces waarbij licht gemakkelijk 'aan' en 'uit' zou worden gezet, reflecterend of doorlatend licht op aanvraag.

De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , laat zien dat een materiaal dat bekend staat als Ta ₂ NiSe ₅ zou kunnen schakelen tussen een raam en een spiegel in een quadriljoenste van een seconde wanneer geraakt door een korte laserpuls, de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van ultrasnel schakelen in computers van de toekomst.

Het materiaal ziet eruit als een stuk potlood en werkt isolerend bij kamertemperatuur, wat betekent dat wanneer infrarood licht het materiaal in deze isolerende toestand raakt, het gaat er recht doorheen als een raam. Echter, bij verhitting, het materiaal wordt een metaal dat werkt als een spiegel en licht weerkaatst.

"We wisten dat Ta ₂ NiSe ₅ kon schakelen tussen een raam en een spiegel als het verwarmd was, maar het verwarmen van een object is een heel langzaam proces, " zei Dr. Akshay Rao, Harding Universitair Docent aan het Cavendish Laboratory, die het onderzoek leidde. "Wat onze experimenten hebben aangetoond, is dat een korte laserpuls deze 'flip' ook kan activeren in slechts 10 ^-15 seconden. Dit is een miljoen keer sneller dan switches in onze huidige computers."

De onderzoekers onderzochten het gedrag van het materiaal om het bestaan ​​van een nieuwe fase van materie aan te tonen, een 'excitonische isolator' genaamd. die experimenteel uitdagend was om te vinden sinds het voor het eerst werd getheoretiseerd in de jaren zestig.

"Deze excitonische isolatiefase lijkt in veel opzichten op een heel normale isolator, maar een manier om onderscheid te maken tussen een ongewone en gewone isolator is om precies te zien hoe lang het duurt voordat het een metaal wordt, "zei Rao. "Voor normale zaken, van een isolator naar een metaal gaan is als het smelten van een ijsblokje. De atomen zelf verplaatsen posities en herschikken, waardoor het een langzaam proces wordt. Maar in een excitonische isolator, dit kan heel snel gebeuren omdat de atomen zelf niet hoeven te bewegen om van fase te wisselen. Als we een manier zouden kunnen vinden om te meten hoe snel deze overgang plaatsvindt, we zouden mogelijk de excitonische isolator kunnen ontmaskeren."

Om deze experimenten te doen, de onderzoekers gebruikten een reeks zeer korte laserpulsen om het materiaal eerst te verstoren en vervolgens te meten hoe de reflectie veranderde. Op kamertemperatuur, ze ontdekten dat toen Ta ₂ NiSe ₅ werd getroffen door een sterke laserpuls, het vertoonde onmiddellijk handtekeningen van de metalen staat, sneller een spiegel worden op een tijdschaal dan ze konden oplossen. Dit leverde sterk bewijs voor de excitonische isolerende aard van Ta ₂ NiSe ₅ .

"Dit werk verwijdert niet alleen de camouflage van het materiaal, het openen van verdere studies naar zijn ongebruikelijke kwantummechanische gedrag, het benadrukt ook het unieke vermogen van dit materiaal om als een ultrasnelle schakelaar te fungeren, " zei eerste auteur Hope Bretscher, ook van het Cavendish-laboratorium. "In feite, om de optische schakelaar effectief te laten zijn, niet alleen moet het snel overgaan van de isolerende naar de metallische fase, maar het omgekeerde proces moet ook snel zijn.

"We vonden dat Ta ₂ NiSe ₅ snel terug naar een isolerende staat, veel sneller dan andere kandidaat-wisselmaterialen. Dit vermogen om van spiegel te gaan, naar raam, weer spiegelen, maken het uiterst aantrekkelijk voor computertoepassingen."

"Wetenschap is een ingewikkeld en evoluerend proces - en we denken dat we deze discussie een stap voorwaarts hebben kunnen zetten. Niet alleen kunnen we nu de eigenschappen van dit materiaal beter begrijpen, maar we hebben er ook een interessante potentiële toepassing voor ontdekt, " zei co-auteur professor Ajay Sood, van het Indian Institute of Science in Bangalore.

"Terwijl praktisch kwantumschakelaars worden geproduceerd met Ta ₂ NiSe ₅ misschien nog ver weg, het hebben van een nieuwe benadering van de groeiende uitdaging van de snelheid en het energieverbruik van computers is een opwindende ontwikkeling, " zei Rao.