De race om computercomponenten kleiner en sneller te maken en minder stroom te verbruiken, verlegt de grenzen van de eigenschappen van elektronen in een materiaal. Fotonische systemen zouden uiteindelijk elektronische systemen kunnen vervangen, maar de grondbeginselen van de berekening, het mengen van twee ingangen in een enkele uitgang, vergen momenteel te veel ruimte en kracht als je klaar bent met licht.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een nanodraadsysteem ontwikkeld dat de weg zou kunnen effenen voor dit vermogen. twee lichtgolven combineren om een ​​derde met een andere frequentie te produceren en een optische holte gebruiken om de intensiteit van de output te versterken tot een bruikbaar niveau.

De studie werd geleid door Ritesh Agarwal, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Penn's School of Engineering and Applied Science, en Ming-Liang Ren, een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab. Andere leden van het Agarwal-lab, Wenking Liu, Carlos O. Aspetti en Liaoxin Sun, bijgedragen aan de studie.

Het is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Huidige computersystemen vertegenwoordigen stukjes informatie - de enen en nullen van binaire code - met elektriciteit. Circuit elementen, zoals transistoren, werken op deze elektrische signalen, outputs produceren die afhankelijk zijn van hun inputs.

"Het mengen van twee ingangssignalen om een ​​nieuwe uitgang te krijgen is de basis van de berekening, "Zei Agarwal. "Het is gemakkelijk te doen met elektrische signalen, maar het is niet gemakkelijk om met licht te doen, omdat lichtgolven normaal geen interactie met elkaar hebben."

De moeilijkheid die inherent is aan het "mengen" van licht lijkt misschien contra-intuïtief, gezien het kleurengamma op tv of computerscherm dat uitsluitend wordt geproduceerd door combinaties van rood, groene en blauwe pixels. de gele, sinaasappels en paars die die displays maken, echter, zijn een truc van perceptie, niet van natuurkunde. Rood en blauw licht worden gewoon gelijktijdig ervaren, in plaats van gecombineerd tot een enkele paarse golflengte.

Zogenaamde "niet-lineaire" materialen zijn in staat tot dit soort vermenging, maar zelfs de beste kandidaten in deze categorie zijn nog niet levensvatbaar voor computertoepassingen vanwege het hoge vermogen en de grote volumebeperkingen.

"Een niet-lineair materiaal, zo'n cadmiumsulfide, kan de frequentie veranderen, en dus de kleur van licht dat er doorheen gaat, "Ren zei, "maar je hebt een krachtige laser nodig, en, toch, het materiaal moet vele micrometers en zelfs millimeters dik zijn. Dat werkt niet voor een computerchip."

Om het volume van het materiaal en de kracht van het licht te verminderen die nodig zijn om een ​​nuttige signaalmenging te doen, de onderzoekers hadden een manier nodig om de intensiteit van een lichtgolf te versterken terwijl deze door een cadmiumsulfide-nanodraad ging.

De onderzoekers bereikten dit door een slim stukje optische engineering:de nanodraad gedeeltelijk in een zilveren omhulsel wikkelen dat werkt als een echokamer. De groep van Agarwal had eerder een soortgelijk ontwerp gebruikt in een poging om fotonische apparaten te maken die zeer snel konden in- en uitschakelen. Deze kwaliteit was gebaseerd op een fenomeen dat bekend staat als oppervlakteplasmonresonantie, maar, door de polarisatie van het licht te veranderen toen het de nanodraad binnenkwam, konden de onderzoekers het beter beperken tot de frequentieveranderende, niet-lineair deel van het apparaat:de nanodraadkern.

"Door de structuur zo te ontwerpen dat het licht grotendeels in het cadmiumsulfide zit in plaats van op het grensvlak tussen het en de zilveren schaal, we kunnen de intensiteit maximaliseren terwijl we de tweede harmonische genereren, ' zei Ren.

Als een tweede harmonische gespeeld op een gitaarsnaar, dit betekende een verdubbeling van de frequentie van de lichtgolf. Informatie in een fotonisch computersysteem kan worden gecodeerd in de frequentie van een golf, of het aantal trillingen dat het in een seconde maakt. In staat zijn om die kwaliteit in de ene golf met de andere te manipuleren, maakt de basisprincipes van computerlogica mogelijk.

"We willen laten zien dat we twee frequenties van licht kunnen optellen, "Agarwal zei, "Dus hebben we het experiment vereenvoudigd. Door één frequentie te nemen en deze aan zichzelf toe te voegen, je krijgt uiteindelijk het dubbele van de frequentie. uiteindelijk, we willen het licht kunnen afstemmen op elke frequentie die nodig is, wat kan worden gedaan door de grootte van de nanodraad en de schaal te veranderen."

Meest belangrijk, echter, was dat deze frequentiemenging op nanoschaal met zeer hoge efficiëntie mogelijk was. De optische holte van de onderzoekers was in staat om de intensiteit van de uitgangsgolf meer dan duizend keer te verhogen.

"De frequentieveranderende efficiëntie van cadmiumsulfide is inherent aan het materiaal, maar het hangt af van het volume van het materiaal waar de golf doorheen gaat, ' zei Agarwal. 'Door de zilveren schelp toe te voegen, we kunnen het volume dat nodig is om een ​​bruikbaar signaal te krijgen aanzienlijk verminderen en de apparaatgrootte in de nanoschaal duwen."