Elke seconde, uw computer moet miljarden rekenstappen verwerken om zelfs de eenvoudigste uitvoer te produceren. Stel je voor dat elk van die stappen een klein beetje efficiënter zou kunnen worden gemaakt. "Het zou kostbare nanoseconden besparen, " legde de assistent-professor natuurkunde van de Northeastern University Swastik Kar uit.

Kar en zijn collega Yung Joon Jung, universitair hoofddocent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, hebben een reeks nieuwe apparaten ontwikkeld die precies dat doen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Vorig jaar, het interdisciplinaire duo combineerde hun expertise - Kar's in grafeen, een op koolstof gebaseerd materiaal dat bekend staat om zijn sterkte en geleidbaarheid, en Jung's in de mechanica van koolstofnanobuisjes, dat zijn opgerolde vellen grafeen ter grootte van een nanometer - om een ​​fysiek fenomeen op te sporen dat een nieuwe golf van zeer efficiënte elektronica zou kunnen inluiden.

Ze ontdekten dat door licht geïnduceerde elektrische stromen veel sterker stijgen op de kruising van koolstofnanobuizen en silicium, vergeleken met de kruising van silicium en een metaal, zoals in traditionele fotodiode-apparaten. "Die sterke stijging helpt ons apparaten te ontwerpen die met licht kunnen worden in- en uitgeschakeld, ' zei Kar.

Deze bevinding heeft grote implicaties voor het uitvoeren van berekeningen, die, in simpele termen, vertrouwen ook op een reeks aan-uitschakelaars. Maar om toegang te krijgen tot de waardevolle informatie die op deze switches kan worden opgeslagen, het moet ook worden overgedragen naar en verwerkt door andere switches. "Mensen geloven dat de beste computer er een is waarin de verwerking wordt gedaan met behulp van elektrische signalen en de signaaloverdracht door optica, ' zei Kar.

Dit is niet zo verwonderlijk aangezien licht extreem snel is. De apparaten van Kar en Jung - die als eerste elektronische en optische eigenschappen op een enkele elektronische chip integreerden - vertegenwoordigen een cruciale doorbraak in het realiseren van deze droomcomputer.

De computationele modellering van deze knooppunten werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met de groep van Young-Kyun Kwon, een professor aan de Kyung Hee Universiteit, in Seoul, Korea.

In de nieuwe krant het team presenteert drie van dergelijke nieuwe apparaten. De eerste is een zogenaamde EN-poort, die zowel een elektronische als een optische ingang vereist om een ​​uitgang te genereren. Deze schakelaar wordt alleen geactiveerd als beide elementen zijn ingeschakeld.

Het tweede apparaat, een OK-poort, kan een uitvoer genereren als een van de twee optische sensoren is ingeschakeld. Deze zelfde configuratie kan ook worden gebruikt om digitale signalen om te zetten in analoge, een belangrijke mogelijkheid voor acties zoals het omzetten van de digitale inhoud van een MP3-bestand in echte muziek.

Eindelijk, Kar en Jung hebben ook een apparaat gebouwd dat werkt als de voorkant van een camerasensor. Het bestaat uit 250, 000 miniatuurapparaten geassembleerd over een oppervlak van centimeter voor centimeter. Hoewel dit apparaat meer integratie zou vereisen om volledig levensvatbaar te zijn, het stelde het team in staat om de reproduceerbaarheid van hun assemblageproces te testen.

"Jung's methode is een techniek van wereldklasse, "Zei Kar. "Het heeft ons echt in staat gesteld om veel apparaten te ontwerpen die veel schaalbaarder zijn."

Terwijl computers elke seconde miljarden rekenstappen verwerken, het verbeteren van hun vermogen om die stappen uit te voeren, Kar zei, begint met de "demonstratie van het verbeteren van slechts één." Dat is precies wat ze hebben gedaan.