Ny optisk transistor fremskynder beregningen op til 1, 000 gange, med lavest mulig koblingsenergi

Et internationalt forskerhold ledet af Skoltech og IBM har skabt en ekstremt energieffektiv optisk switch, der kan erstatte elektroniske transistorer i en ny generation af computere, der manipulerer fotoner frem for elektroner. Ud over direkte strømbesparelse, kontakten kræver ingen afkøling og er virkelig hurtig:Ved 1 billion operationer pr. sekund, det er mellem 100 og 1, 000 gange hurtigere end nutidens førsteklasses kommercielle transistorer. Undersøgelsen udkommer onsdag d Natur .

"Det, der gør den nye enhed så energieffektiv, er, at det kun tager et par fotoner at skifte, "den første forfatter til undersøgelsen, Dr. Anton Zasedatelev kommenterede. "Faktisk, i vores Skoltech -laboratorier opnåede vi skift med kun en foton ved stuetemperatur. Det sagt, der er en lang vej at gå, før en sådan bevis-af-princip-demonstration bruges i en heloptisk co-processor, "tilføjede professor Pavlos Lagoudakis, der leder Hybrid Photonics Labs hos Skoltech.

Da en foton er den mindste lyspartikel, der findes i naturen, der er virkelig ikke meget plads til forbedringer ud over det, hvad angår strømforbruget. De fleste moderne elektriske transistorer tager titusen gange mere energi til at skifte, og dem, der bruger enkelte elektroner til at opnå sammenlignelige effektiviteter, er langt langsommere.

Udover ydelsesproblemer har de konkurrerende strømbesparende elektroniske transistorer også en tendens til at kræve omfangsrige køleudstyr, som igen forbruger strøm og faktorer i driftsomkostningerne. Den nye switch fungerer bekvemt ved stuetemperatur og omgår derfor alle disse problemer.

Ud over den primære transistorlignende funktion, kontakten kunne fungere som en komponent, der forbinder enheder ved at skifte data mellem dem i form af optiske signaler. Det kan også fungere som en forstærker, øge intensiteten af ​​en indkommende laserstråle med en faktor på op til 23, 000.

Hvordan det virker

Enheden er afhængig af to lasere for at indstille sin tilstand til "0" eller "1" og skifte mellem dem. En meget svag kontrol laserstråle bruges til at dreje en anden, lysere laserstråle til eller fra. Det tager kun et par fotoner i kontrolstrålen, derfor enhedens høje effektivitet.

Omskiftningen sker inde i en mikrohulrum-en 35-nanometer tynd organisk halvledende polymer, der er klemt mellem stærkt reflekterende uorganiske strukturer. Mikrohulrummet er bygget på en sådan måde, at det indkommende lys bliver fanget inde så længe som muligt for at favorisere dets kobling med hulrummets materiale.

Denne lysstofkobling danner grundlaget for den nye enhed. Når fotoner kobler sig stærkt til bundne elektronhullepar-alias excitoner-i hulrumets materiale, dette giver anledning til kortvarige enheder kaldet exciton-polaritoner, som er en slags kvasipartikler i hjertet af switchens drift.

Når pumpelaseren - den lysere af de to - lyser på kontakten, dette skaber tusinder af identiske kvasipartikler på samme sted, danner såkaldt Bose-Einstein-kondensat, som koder for enhedens "0" og "1" logiske tilstande.

For at skifte mellem de to niveauer på enheden, holdet brugte en kontrollaserpuls, der såede kondensatet kort før ankomsten af ​​pumpelaserpulsen. Som resultat, det stimulerer energiomdannelse fra pumpelaseren, øge mængden af ​​kvasipartikler ved kondensatet. Den store mængde partikler deri svarer til enhedens "1" -tilstand.

Forskerne brugte flere justeringer for at sikre lavt strømforbrug:Først, effektiv omskiftning blev hjulpet af vibrationerne i den halvledende polymers molekyler. Tricket var at matche energigabet mellem de pumpede tilstande og kondensattilstanden til energien fra en bestemt molekylær vibration i polymeren. Sekund, det lykkedes teamet at finde den optimale bølgelængde til at indstille deres laser til og implementerede et nyt måleskema, der muliggør enkeltskudskondensatdetektering. Tredje, kontrollaseren, der såede kondensatet, og dets detekteringsskema blev matchet på en måde, der undertrykte støjen fra enhedens "baggrund" -emission. Disse foranstaltninger maksimerede signal-til-støj-niveauet på enheden og forhindrede, at et overskud af energi blev absorberet af mikrohulen, som kun ville tjene til at varme det op gennem molekylære vibrationer.

"Der er stadig noget arbejde foran os for at sænke vores enheds samlede strømforbrug, som i øjeblikket domineres af pumpelaseren, der holder kontakten tændt. En vej mod dette mål kan være perovskite superkrystal materialer som dem, vi udforsker med samarbejdspartnere. De har vist sig at være fremragende kandidater i betragtning af deres stærke lysstofkobling, hvilket igen fører til en stærk kollektiv kvanterespons i form af superfluorescens, "kommenterer teamet.

I den større tingordning, forskerne ser deres nye switch kun som en i det voksende værktøjskasse af alle optiske komponenter, de har samlet i løbet af de sidste par år. Blandt andet, den indeholder en bølgeleder med lavt tabs silicium til at transportere de optiske signaler frem og tilbage mellem transistorer. Udviklingen af ​​disse komponenter bringer os stadig tættere på optiske computere, der ville manipulere fotoner i stedet for elektroner, resulterer i langt bedre ydeevne og lavere strømforbrug.