Energooszczędny i szybszy "tranzystor"

Niezwykle energooszczędny przełącznik optyczny mógłby zastąpić tranzystory elektroniczne w nowej generacji komputerów manipulujących fotonami, a nie elektronami. Przełącznik nie wymaga chłodzenia i przy bilionie operacji na sekundę (10 do potęgi 12) jest od 100 do 1000 razy szybszy niż dzisiejsze najwyższej klasy tranzystory komercyjne - informuje "Nature".

Optyczny "tranzystor" stworzył międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez rosyjski instytut Skoltech i firmę IBM, przy najniższej możliwej energii przełączania. "To, co sprawia, że nowe urządzenie jest tak energooszczędne, to fakt, że do przełączenia potrzeba tylko kilku fotonów" - skomentował pierwszy autor badania, dr Anton Zasedatelev.

W rzeczywistości w laboratoriach Skoltech osiągnęliśmy przełączanie za pomocą tylko jednego fotonu w temperaturze pokojowej - dodał prof. Pavlos Lagoudakis, który kieruje Laboratorium Hybrydowej Fotoniki w Skoltech - zastrzegając, że do całkowicie optycznego koprocesora jeszcze długa droga.

Ponieważ foton jest najmniejszą możliwą cząstką światła, niewiele będzie już miejsca na poprawę, jeśli chodzi o zużycie energii. Większość nowoczesnych tranzystorów elektrycznych zużywa do przełączenia dziesiątki razy więcej energii - a te, które wykorzystują pojedyncze elektrony do osiągnięcia porównywalnej wydajności, są znacznie wolniejsze.

Oprócz problemów z wydajnością tranzystory elektroniczne zwykle wymagają również stosunkowo dużych urządzeń chłodzących, które z kolei zużywają energię i wpływają na koszty operacyjne. Nowy przełącznik działa w temperaturze pokojowej, dzięki czemu omija wszystkie te problemy.

Oprócz swojej podstawowej funkcji podobnej do tranzystora przełącznik może działać jako element łączący urządzenia, poprzez przesyłanie między nimi danych w postaci sygnałów optycznych. Może również służyć jako wzmacniacz, zwiększając intensywność przychodzącej wiązki laserowej nawet 23 000 razy.

Urządzenie opiera się na dwóch laserach, aby ustawić swój stan na "0" lub "1" i przełączać się między nimi. Bardzo słaba kontrolna wiązka laserowa służy do włączania lub wyłączania innej, jaśniejszej wiązki laserowej. Wystarczy tylko kilka fotonów w wiązce sterującej, stąd wysoka wydajność urządzenia.

Przełączanie zachodzi wewnątrz mikrownęki - cienkiego na 35 nanometrów, organicznego półprzewodnikowego polimeru umieszczonego pomiędzy wysoce odblaskowymi strukturami nieorganicznymi. Mikrownęka zbudowana jest w taki sposób, aby wpadające światło było jak najdłużej uwięzione w środku, co sprzyja jego sprzężeniu z materiałem wnęki. Kiedy fotony łączą się ze związanymi parami elektron-dziura - czyli ekscytonami - w materiale wnęki, powstają krótkotrwałe byty zwane ekscytonami-polarytonami, które są rodzajem quasicząstek. Kiedy laser pompujący - jaśniejszy z tych dwóch - świeci na przełącznik, powstają tysiące identycznych quasicząstek w tym samym miejscu, tworząc tak zwany kondensat Bosego-Einsteina, który koduje stany logiczne "0" i "1" urządzenie.

Aby przełączać się między dwoma poziomami urządzenia, zespół wykorzystał kontrolny impuls laserowy, który zaszczepia kondensat na krótko przed nadejściem impulsu lasera pompy. W efekcie stymuluje konwersję energii z lasera pompującego, zwiększając ilość quasicząstek w kondensacie. Duża ilość cząstek w tym miejscu odpowiada stanowi "1" urządzenia.

Naukowcy zastosowali kilka poprawek, aby zapewnić niskie zużycie energii: Po pierwsze, efektywne przełączanie było wspomagane wibracjami cząsteczek polimeru półprzewodnikowego. Sztuczka polegała na dopasowaniu przerwy energetycznej między stanami napompowania a stanem kondensatu do energii jednej konkretnej wibracji molekularnej w polimerze. Po drugie, zespołowi udało się znaleźć optymalną długość fali do dostrojenia lasera i wdrożył nowy schemat pomiarowy umożliwiający wykrywanie kondensatu. Po trzecie, laser kontrolny zaszczepiający kondensat i jego schemat wykrywania zostały dopasowane w taki sposób, aby wytłumić szum z emisji "tła" urządzenia. Zastosowane środki zmaksymalizowały poziom sygnału do szumu i zapobiegły pochłonięciu nadmiaru energii przez mikrownękę, która służyłaby jedynie do jej podgrzania poprzez drgania molekularne.

"Przed nami jeszcze trochę pracy, aby obniżyć ogólne zużycie energii przez nasze urządzenie, które jest obecnie zdominowane przez laser pompujący, który utrzymuje przełącznik. Drogą do tego celu mogą być superkryształy perowskitowe, takie jak te, które badamy ze współpracownikami, Okazały się doskonałymi kandydatami, biorąc pod uwagę ich silne sprzężenie światło-materia, które z kolei prowadzi do potężnej odpowiedzi kwantowej w postaci superfluorescencji" - komentują autorzy.

W szerszej perspektywie naukowcy widzą swój nowy przełącznik jako kolejne z rosnącego zestawu narzędzi całkowicie optycznych, które skonstruowali w ciągu ostatnich kilku lat. To między innymi niskostratny falowód krzemowy do przesyłania sygnałów optycznych pomiędzy tranzystorami. Rozwój tych komponentów coraz bardziej przybliża erę komputerów optycznych, które manipulowałyby fotonami zamiast elektronami, dając znacznie lepszą wydajność i niższe zużycie energii. (PAP)

Paweł Wernicki