Atomfotonkilde baseret på atomers bevægelse

Kompakte, CMOS-kompatible on-chip fotonkilder har tiltrukket sig stor opmærksomhed i det videnskabelige samfund og halvlederindustrien. Da transistorens funktionsstørrelse konstant skaleres ned, øges integrationstætheden og koblingshastigheden i integrerede elektroniske kredsløb eksponentielt. Dette fører til en stadig større effekttab fra elektriske forbindelser mellem kredsløbselementer. Optiske (fotoniske) forbindelser og deres kerneelement - fotonkilden på chip - repræsenterer et lovende alternativ til at omgå denne begrænsning. Imidlertid har de mest lovende state-of-the-art on-chip fotonkilder typisk en mikrometerskalastørrelse - 1.000 gange større end transistorer og forhindrer storskala integration. Memristorer, med aktive områder i nanometer eller endda atomær skala, kunne med fordel fusioneres med optiske funktioner for at omgå denne begrænsning og samtidig give alsidige funktionaliteter.

I en nylig artikel offentliggjort i Light:Science &Applications , demonstrerer forskere fra ETH Zürich og University of Burgundy memristorer i atomskala, der er i stand til at udsende fotoner under resistiv skift. Denne "atomiske fotonkilde", som den omtales i papiret, består af en plan Ag/amorf SiO_x /Pt-forbindelse med specielt konstruerede elektroder, der danner optiske antenner for at forbedre emissionseffektiviteten betydeligt. En illustration af indretningens struktur er afbildet i figur 1a. Som vist i figur 1b kan lysemissionen fra "Atomic Photon Source" detekteres af et CCD-kamera. Som illustreret i figur 1c udsendes lys under dannelsen af ​​en elektrisk forbindelse mellem de to elektroder, som består af sølvatomer, der samler sig og danner en metallisk filament.

Forskerne giver yderligere en forklaring på oprindelsen af ​​lysemissionen i "Atomic Photon Source." Med en række eksperimenter demonstrerer de, at lysemissionen stammer fra en atomare omlejring af det amorfe SiO_x forårsaget af den resistive omskiftning. Atomsammensætningen er lokalt ændret og danner selvlysende steder. Disse steder exciteres derefter elektrisk og udsender fotoner ved en radiativ afslapningsproces.

På grund af dets kompakte fodaftryk og CMOS-kompatible fremstilling kan denne "Atomic Photon Source" potentielt udløse et nyt konceptuelt paradigme for enheder, der opererer på atomniveau med elektriske og optiske funktionaliteter indlejret på den samme nanoskala komponent. Som sådan løser det størrelsesmisforholdet mellem de nuværende mikrometer-størrelse state-art on-chip fotonkilder og nanometer-størrelse elektriske enheder.

Memristorer er en ny kategori af enheder, der opererer i nanometerskalaregimet, der er afhængige af et andet sæt atomare skalaeffekter, der gør det muligt at indstille modstandsværdien af ​​enhederne til en ønsket værdi. I tilfælde af elektrokemiske metalliseringshukommelser (ECM), den type memristorer, som forskerne har undersøgt, består enhederne af en enkel og CMOS-venlig asymmetrisk metal-isolator-metalstabel. Ved påføring af en spænding oxideres et aktivt metalatom til ioner, vandrer langs det elektriske felt gennem isolatoren til den passive elektrode og danner til sidst et ledende metallisk filament på nanometerstørrelse.

Denne proces kan vendes og gentages, og data kan lagres som modstanden mellem elektroderne (modstandstilstand). Udover hukommelser med høj tæthed, får memristorer i øjeblikket meget opmærksomhed på deres applikationer, hvor de udmærker sig sammenlignet med CMOS-teknologi, såsom neuromorf og in-memory computing. Interessant nok kan memristorer også med fordel kombineres med optiske funktioner:memristive styrede optiske kontakter og fotodetektorer er blevet introduceret. Alligevel er den fotoniske drift af en memristor indtil videre afhængig af eksterne eller co-integrerede fotonkilder. + Udforsk yderligere

Bedre memristorer til hjernelignende databehandling