Fra et vindue til et spejl:Nyt materiale baner vejen for hurtigere databehandling

Forskning ledet af Cavendish Laboratory ved University of Cambridge har identificeret et materiale, der kunne hjælpe med at tackle hastighed og energi, de to største udfordringer for fremtidens computere.

Forskning inden for lysbaseret databehandling – ved at bruge lys i stedet for elektricitet til beregning for at gå ud over grænserne for nutidens computere – bevæger sig hurtigt, men der er stadig barrierer i udviklingen af ​​optisk switching, processen, hvorved lyset nemt kunne tændes og slukkes, reflekterer eller transmitterer lys on-demand.

Studiet, udgivet i Naturkommunikation , viser, at et materiale kendt som Ta ₂ NiSe ₅ kunne skifte mellem et vindue og et spejl på en kvadrilliontedel af et sekund, når det blev ramt af en kort laserpuls, baner vejen for udviklingen af ​​ultrahurtig skift i fremtidens computere.

Materialet ligner en luns blyantbly og fungerer som en isolator ved stuetemperatur, hvilket betyder, at når infrarødt lys rammer materialet i denne isolerende tilstand, det går lige igennem som et vindue. Imidlertid, ved opvarmning, materialet bliver til et metal, der fungerer som et spejl og reflekterer lys.

"Vi vidste, at Ta ₂ NiSe ₅ kunne skifte mellem et vindue og et spejl, når det var varmet op, men opvarmning af en genstand er en meget langsom proces, " sagde Dr. Akshay Rao, Harding Universitetslektor ved Cavendish Laboratory, der ledede forskningen. "Hvad vores eksperimenter har vist er, at en kort laserpuls også kan udløse dette 'flip' på kun 10 ^-15 sekunder. Dette er en million gange hurtigere end switches i vores nuværende computere."

Forskerne undersøgte materialets adfærd for at vise eksistensen af ​​en ny fase af stof kaldet en 'excitonisk isolator', som har været eksperimentelt udfordrende at finde, siden det først blev teoretiseret i 1960'erne.

"Denne excitoniske isoleringsfase ligner på mange måder en meget normal isolator, men en måde at skelne mellem en usædvanlig og almindelig isolator er at se præcis, hvor lang tid det tager for det at blive et metal, " sagde Rao. "For normal sag, at gå fra en isolator til et metal er som at smelte en isterning. Atomerne selv flytter positioner og omarrangerer, gør det til en langsom proces. Men i en excitonisk isolator, dette kan ske meget hurtigt, fordi atomerne selv ikke behøver at bevæge sig for at skifte fase. Hvis vi kunne finde en måde at måle, hvor hurtigt denne overgang sker, vi kunne potentielt afsløre den excitoniske isolator."

For at udføre disse eksperimenter, forskerne brugte en sekvens af meget korte laserimpulser til først at forstyrre materialet og derefter måle, hvordan dets refleksion ændrede sig. Ved stuetemperatur, de fandt, at da Ta ₂ NiSe ₅ blev ramt af en stærk laserpuls, det udviste signaturer af den metalliske tilstand med det samme, bliver et spejl på en tidsskala hurtigere, end de kunne løse. Dette gav stærke beviser for den excitoniske isolerende natur af Ta ₂ NiSe ₅ .

"Dette arbejde fjerner ikke kun materialets camouflage, åbner op for yderligere undersøgelser af dens usædvanlige kvantemekaniske adfærd, det fremhæver også dette materiales unikke evne til at fungere som en ultrahurtig kontakt, " sagde førsteforfatter Hope Bretscher, også fra Cavendish Laboratory. "Faktisk, for at den optiske kontakt er effektiv, ikke kun skal det gå hurtigt fra den isolerende til den metalliske fase, men den omvendte proces skal også være hurtig.

"Vi fandt ud af, at Ta ₂ NiSe ₅ hurtigt vendt tilbage til en isolerende tilstand, meget hurtigere end andre kandidatskiftematerialer. Denne evne til at gå fra spejlet, til vinduet, at spejle igen, gør det ekstremt tillokkende for computerapplikationer."

"Videnskab er en kompliceret og udviklende proces - og vi tror, ​​vi har været i stand til at tage denne diskussion et skridt fremad. Ikke kun kan vi nu bedre forstå egenskaberne af dette materiale, men vi afslørede også en interessant potentiel anvendelse for det, " sagde medforfatter professor Ajay Sood, fra Indian Institute of Science i Bangalore.

"Mens du praktisk talt producerer kvanteswitche med Ta ₂ NiSe ₅ kan der stadig være lang vej, at have identificeret en ny tilgang til den voksende udfordring med computerens hastighed og energiforbrug er en spændende udvikling, " sagde Rao.