Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Skoltech en IBM heeft een uiterst energiezuinige optische schakelaar gemaakt die elektronische transistors zou kunnen vervangen in een nieuwe generatie computers die fotonen in plaats van elektronen manipuleren. Naast directe energiebesparing, de switch heeft geen koeling nodig en is erg snel:met 1 biljoen handelingen per seconde, het is tussen 100 en 1, 000 keer sneller dan de eersteklas commerciële transistors van vandaag. Het onderzoek komt woensdag uit Natuur .

"Wat het nieuwe apparaat zo energiezuinig maakt, is dat er maar een paar fotonen nodig zijn om over te schakelen, " de eerste auteur van de studie, Dr. Anton Zasedatelev becommentarieerde. "In feite, in onze Skoltech-labs bereikten we het schakelen met slechts één foton bij kamertemperatuur. Dat gezegd hebbende, er is nog een lange weg te gaan voordat een dergelijke proof-of-principle-demonstratie wordt gebruikt in een volledig optische co-processor, " voegde professor Pavlos Lagoudakis toe, die aan het hoofd staat van de Hybrid Photonics Labs bij Skoltech.

Aangezien een foton het kleinste deeltje licht is dat in de natuur bestaat, er is echt niet veel ruimte voor verbetering dan dat wat betreft het stroomverbruik. De meeste moderne elektrische transistors hebben tientallen keren meer energie nodig om te schakelen, en degenen die enkele elektronen gebruiken om vergelijkbare efficiënties te bereiken, zijn veel langzamer.

Naast prestatieproblemen hebben de concurrerende energiebesparende elektronische transistors ook vaak omvangrijke koelapparatuur nodig, die op zijn beurt stroom verbruikt en factoren in de bedrijfskosten. De nieuwe schakelaar werkt handig bij kamertemperatuur en omzeilt dus al deze problemen.

Naast zijn primaire transistorachtige functie, de switch zou kunnen fungeren als een onderdeel dat apparaten met elkaar verbindt door gegevens tussen hen te pendelen in de vorm van optische signalen. Het kan ook dienen als een versterker, het verhogen van de intensiteit van een inkomende laserstraal met een factor tot 23, 000.

Hoe het werkt

Het apparaat vertrouwt op twee lasers om de status op "0" of "1" te zetten en ertussen te schakelen. Een zeer zwakke controlelaserstraal wordt gebruikt om een ​​andere, helderdere laserstraal aan of uit. Er zijn maar een paar fotonen nodig in de controlestraal, vandaar de hoge efficiëntie van het apparaat.

De omschakeling vindt plaats in een microholte - een 35 nanometer dun organisch halfgeleidend polymeer ingeklemd tussen sterk reflecterende anorganische structuren. De microholte is zo gebouwd dat binnenkomend licht zo lang mogelijk binnen blijft om de koppeling met het materiaal van de holte te bevorderen.

Deze licht-materie koppeling vormt de basis van het nieuwe apparaat. Wanneer fotonen sterk koppelen aan gebonden elektron-gatparen - ook wel excitonen genoemd - in het materiaal van de holte, dit geeft aanleiding tot kortstondige entiteiten genaamd exciton-polaritonen, die een soort quasideeltjes zijn in het hart van de werking van de schakelaar.

Wanneer de pomplaser - de helderste van de twee - op de schakelaar schijnt, dit creëert duizenden identieke quasideeltjes op dezelfde locatie, vorming van zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, die de logische toestanden "0" en "1" van het apparaat codeert.

Om tussen de twee niveaus van het apparaat te wisselen, het team gebruikte een controlelaserpuls die het condensaat kort voor de aankomst van de pomplaserpuls zaaide. Als resultaat, het stimuleert de energieomzetting van de pomplaser, het verhogen van de hoeveelheid quasideeltjes bij het condensaat. De grote hoeveelheid deeltjes daar komt overeen met de "1"-status van het apparaat.

De onderzoekers gebruikten verschillende aanpassingen om een ​​laag stroomverbruik te garanderen:efficiënt schakelen werd geholpen door de trillingen van de halfgeleidende polymeermoleculen. De truc was om de energiekloof tussen de gepompte toestanden en de condensaattoestand af te stemmen op de energie van een bepaalde moleculaire vibratie in het polymeer. Tweede, het team slaagde erin de optimale golflengte te vinden om hun laser op af te stemmen en implementeerde een nieuw meetschema dat single-shot condensaatdetectie mogelijk maakt. Derde, de controlelaser die het condensaat zaaide en het detectieschema waren op een manier afgestemd die de ruis van de "achtergrond" -emissie van het apparaat onderdrukte. Deze maatregelen hebben het signaal-ruisniveau van het apparaat gemaximaliseerd en voorkomen dat een teveel aan energie door de microholte wordt geabsorbeerd, die alleen zou dienen om het op te warmen door middel van moleculaire trillingen.

"Er is nog wat werk voor de boeg om het algehele stroomverbruik van ons apparaat te verlagen, die momenteel wordt gedomineerd door de pomplaser die de schakelaar aanhoudt. Een route naar dat doel zou perovskiet-superkristalmaterialen kunnen zijn, zoals die we met medewerkers onderzoeken. Ze hebben bewezen uitstekende kandidaten te zijn gezien hun sterke licht-materie koppeling die op zijn beurt leidt tot een krachtige collectieve kwantumrespons in de vorm van superfluorescentie, ', merkt het team op.

In het grotere geheel der dingen, de onderzoekers zien hun nieuwe schakelaar als slechts één in de groeiende toolkit van volledig optische componenten die ze de afgelopen jaren hebben geassembleerd. Onder andere, het bevat een verliesarme siliciumgolfgeleider voor het heen en weer pendelen van de optische signalen tussen transistors. De ontwikkeling van deze componenten brengt ons steeds dichter bij optische computers die fotonen zouden manipuleren in plaats van elektronen, wat resulteert in enorm superieure prestaties en een lager stroomverbruik.