Der Übergang zu optischen Transistoren, die Licht und sogar einzelne Photonen zum Schalten verwenden, verspricht, die Geschwindigkeit von Prozessoren um das Tausendfache zu steigern, ohne den Stromverbrauch zu erhöhen. Wissenschaftler suchen heute nach optimalen Bedingungen für den Betrieb solcher Transistoren. Wissenschaftler von Skoltech und IBM sind auf diesem Weg ziemlich weit gegangen und haben Physik und Technologie zum Schalten von Zuständen optischer Schalter vorgeschlagen.
Photonen selbst interagieren vernachlässigbar schwach miteinander und mit Materie. Damit die Photonen die Zustände des Transistors umschalten können, müssen sie eine Umgebung schaffen, in der die Wechselwirkung mit den Photonen stark wäre. Forscher von Skoltech und IBM verfolgen dieses Ziel seit Jahren und haben signifikante Ergebnisse erzielt. Die Zwischenergebnisse sahen bescheiden aus, aber heute haben sie die Idee mitgeprägt, wie der optische Transistor der Zukunft aussehen könnte.
Die neue Struktur des optischen Transistors ist um einen polymeren optischen Resonator herum aufgebaut, der beidseitig von einem anorganischen Material mit hohen Reflexionseigenschaften eingespannt ist. Die Struktur wird durch zwei Laserstrahlen gesteuert - Steuerung und Pumpe. Der Pilotstrahl kann eine kleine Anzahl von Photonen bis zu einem verarbeiten, was die Grundlage für ultimative Energieeffizienz schafft (was könnte wirtschaftlicher sein als ein einzelnes Photon?). Die Aufgabe des Kontrollstrahls besteht darin, Bedingungen im Resonator vorzubereiten, bevor der Pumpstrahl gestartet wird, der wiederum den Transistor in den Zustand 0 oder 1 versetzt.
Ein stärkerer Pumpstrahl regt im Resonator die sogenannten Exziton-Polaritonen an – hybride Zustände von Licht und Materie mit sehr kurzer Lebensdauer. Dies sind Quasiteilchen, die durch die Wechselwirkung von Photonen und anderen Quasiteilchen - Exzitonen - gebildet werden. Exzitonen hingegen werden durch elektronische Anregung in einem Medium repräsentiert, insbesondere durch gewöhnliche gebundene Paare eines Elektrons und eines Lochs. Zusammengesetzte Quasiteilchen aus Photonen und Exzitonen werden Exziton-Polaritonen genannt. Das Einstrahlen eines Teststrahls in die Struktur des Resonators liefert mehr oder weniger Exzitonen-Polaritonen. Wenn mehr dieser zusammengesetzten Quasiteilchen vorhanden sind, wird der Transistor in den Zustand 1 überführt, wenn weniger, in 0.
In der offiziellen Pressemitteilung können Sie etwas mehr über den Prozess lesen. Ein Artikel über die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Langfristig könnten die Arbeiten dazu führen, dass optische Prozessoren mit Transistoren mit 100- bis 1000-mal schnelleren Schaltgeschwindigkeiten als heute auftauchen. In diesem Fall wird die Wärmeentwicklung auf unbedeutende Werte reduziert, wodurch beim Betrieb bei Raumtemperaturen überhaupt keine Kühlsysteme benötigt werden.
2021-09-24 13:06:16
Autor: Vitalii Babkin