Fysikere gør elektriske nanolasere endnu mindre

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og King's College London rensede forhindringen, der havde forhindret oprettelsen af ​​elektrisk drevne nanolasere til integrerede kredsløb. Tilgangen, rapporteret i en nylig avis i Nanofotonik , muliggør sammenhængende lyskildedesign på skalaen, ikke kun hundredvis af gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår, men endda mindre end bølgelængden af ​​lys, der udsendes af laseren. Dette lægger grundlaget for ultrahurtig optisk dataoverførsel i de mangecore mikroprocessorer, der forventes at dukke op i den nærmeste fremtid.

Lyssignaler revolutionerede informationsteknologier i 1980'erne, da optiske fibre begyndte at udskifte kobbertråde, gør datatransmissionsordrer af størrelsesorden hurtigere. Da optisk kommunikation er afhængig af lys - elektromagnetiske bølger med en frekvens på flere hundrede terahertz - gør det muligt at overføre terabyte med data hvert sekund gennem en enkelt fiber, langt bedre end elektriske forbindelser.

Fiberoptik ligger til grund for det moderne internet, men lys kunne gøre meget mere for os. Det kunne sættes i værk, selv inde i mikroprocessorerne i supercomputere, arbejdsstationer, smartphones, og andre enheder. Dette kræver brug af optiske kommunikationslinjer til at forbinde de rent elektroniske komponenter, såsom processorkerner. Som resultat, enorme mængder information kunne overføres på tværs af chippen næsten øjeblikkeligt.

At slippe af med begrænsningen på datatransmission vil gøre det muligt direkte at forbedre mikroprocessorens ydeevne ved at stable flere processorkerner, til det punkt at oprette en 1, 000-core processor, der ville være næsten 100 gange hurtigere end dens 10-core modstykke, som forfølges af halvlederindustrigiganterne IBM, HP, Intel, Oracle, og andre. Dette vil igen gøre det muligt at designe en ægte supercomputer på en enkelt chip.

Udfordringen er at forbinde optik og elektronik på nanoskalaen. For at opnå dette, de optiske komponenter kan ikke være større end hundredvis af nanometer, som er cirka 100 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Denne størrelsesbegrænsning gælder også for on-chip lasere, som er nødvendige for at konvertere information fra elektriske signaler til optiske pulser, der bærer bitene i dataene.

Imidlertid, lys er en slags elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på hundredvis af nanometer. Og kvanteusikkerhedsprincippet siger, at der er en vis minimumsmængde, som lette partikler, eller fotoner, kan lokaliseres i. Den må ikke være mindre end terningen af ​​bølgelængden. I grove termer, hvis man laver en laser for lille, fotoner vil ikke passe ind i det. Det sagt, der er måder omkring denne begrænsning af størrelsen på optiske enheder, som er kendt som diffraktionsgrænsen. Løsningen er at erstatte fotoner med overfladeplasmon-polaritoner, eller SPP'er.

SPP'er er kollektive svingninger af elektroner, der er begrænset til overfladen af ​​et metal og interagerer med det omgivende elektromagnetiske felt. Kun få metaller kendt som plasmoniske metaller er gode at arbejde med SPP'er:guld, sølv, kobber, og aluminium. Ligesom fotoner, SPP'er er elektromagnetiske bølger, men med samme frekvens er de meget bedre lokaliseret - det vil sige de optager mindre plads. Brug af SPP'er i stedet for fotoner gør det muligt at "komprimere" lys og dermed overvinde diffraktionsgrænsen.

Designet af virkelig nanoskala plasmoniske lasere er allerede muligt med nuværende teknologier. Imidlertid, disse nanolasere pumpes optisk, det er, de skal belyses med eksterne omfangsrige og kraftfulde lasere. Dette kan meget vel være praktisk til videnskabelige eksperimenter, men ikke uden for laboratoriet. En elektronisk chip beregnet til masseproduktion og virkelige applikationer skal inkorporere hundredvis af nanolasere og fungere på et almindeligt printkort. En praktisk laser skal pumpes elektrisk, eller, med andre ord, drives af et almindeligt batteri eller jævnstrøm. Indtil videre er sådanne lasere kun tilgængelige som enheder, der fungerer ved kryogene temperaturer, som ikke er egnet til de fleste praktiske anvendelser, da opretholdelse af flydende nitrogenskøling typisk ikke er mulig.

Fysikerne fra Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) og King's College London har foreslået et alternativ til den konventionelle måde, hvorpå elektrisk pumpning fungerer. Normalt kræver ordningen med elektrisk pumpning af nanolasere en ohmsk kontakt lavet af titanium, krom, eller et lignende metal. I øvrigt, at kontakten skal være en del af resonatoren - volumenet, hvor laserstrålingen genereres. Problemet med det er, at titanium og chrom stærkt absorberer lys, hvilket skader resonatorens ydeevne. Sådanne lasere lider af høj pumpestrøm og er modtagelige for overophedning. Det er derfor behovet for kryogen køling viser sig, sammen med alle de gener det medfører.

Den foreslåede nye ordning for elektrisk pumpning er baseret på en dobbelt heterostruktur med en tunnel -Schottky -kontakt. Det får den ohmiske kontakt med dets stærkt absorberende metal overflødigt. Pumpningen sker nu på tværs af grænsefladen mellem plasmonisk metal og halvleder, langs hvilke SPP'er formerer sig. "Vores nye pumpemetode gør det muligt at bringe den elektrisk drevne laser til nanoskalaen, samtidig med at den bevarer sin evne til at fungere ved stuetemperatur. På samme tid, i modsætning til andre elektrisk pumpede nanolasere, strålingen er effektivt rettet mod en fotonisk eller plasmonisk bølgeleder, gør nanolaser egnet til integrerede kredsløb, "Dr. Dmitry Fedyanin fra Center for Photonics og 2-D Materials på MIPT kommenterede.

Den plasmoniske nanolaser, forskerne foreslår, er mindre - i hver af sine tre dimensioner - end bølgelængden af ​​det lys, det udsender. I øvrigt, volumen optaget af SPP'er i nanolaser er 30 gange mindre end lysbølgelængden i terninger. Ifølge forskerne, deres plasmoniske nanolaser ved stuetemperatur kunne let gøres endnu mindre, gør dens egenskaber endnu mere imponerende, men det ville komme på bekostning af manglende evne til effektivt at udtrække strålingen til en busbølgeleder. Dermed, mens yderligere miniaturisering ville gøre enheden dårligt anvendelig til integrerede kredsløb på chip, det ville stadig være praktisk for kemiske og biologiske sensorer og nærfelt optisk spektroskopi eller optogenetik.

På trods af dens nanoskala dimensioner, den forudsagte udgangseffekt af nanolaser udgør over 100 mikrowatt, hvilket kan sammenlignes med meget større fotoniske lasere. En sådan høj udgangseffekt tillader, at hver nanolaser bruges til at overføre hundredvis af gigabit pr. Sekund, eliminerer en af ​​de mest formidable forhindringer for højere ydeevne mikrochips. Og det inkluderer alle slags hi-end computerenheder:supercomputerprocessorer, grafiske processorer, og måske endda nogle gadgets, der skal opfindes i fremtiden.