Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Skoltech und IBM hat einen extrem energieeffizienten optischen Schalter entwickelt, der elektronische Transistoren in Computern der nächsten Generation ersetzen könnte, die Photonen statt Elektronen steuern.
Neben der direkten Stromeinsparung benötigt der Switch keine Kühlung und ist extrem schnell: Mit 1 Billion Operationen pro Sekunde ist er 100- bis 1000-mal schneller als aktuelle kommerzielle High-End-Transistoren.
„Was das neue Gerät so energieeffizient macht, ist, dass es nur wenige Photonen braucht, um es umzuschalten“, kommentiert der Erstautor der Studie, Anton Zasedatelev.
„Tatsächlich haben wir in unseren Skoltech-Labors das Schalten mit nur einem Photon bei Raumtemperatur erreicht! Bis eine solche Demonstration des Prinzips in einem rein optischen Coprozessor zum Einsatz kommt, ist jedoch noch ein langer Weg“, ergänzt Professor Pavlos Lagudakis, Leiter des Hybrid Photonics Laboratory bei Skoltech.
Da ein Photon das kleinste in der Natur vorkommende Lichtteilchen ist, gibt es beim Energieverbrauch nicht wirklich viel Raum für Verbesserungen. Die meisten modernen elektrischen Transistoren benötigen zum Schalten zehnmal mehr Energie, und diejenigen, die einzelne Elektronen verwenden, um eine vergleichbare Effizienz zu erreichen, sind viel langsamer.
Neben Leistungsproblemen erfordern konkurrierende energieeffiziente elektronische Transistoren auch sperrige Kühlgeräte, die wiederum Strom verbrauchen und sich auf die Betriebskosten auswirken. Der neue Schalter arbeitet komfortabel bei Raumtemperatur und vermeidet somit all diese Probleme.
Zusätzlich zu seiner elementaren Transistor-ähnlichen Funktion kann ein Schalter als eine Komponente fungieren, die Geräte verbindet, indem er Daten in Form von optischen Signalen zwischen ihnen überträgt. Es kann auch als Verstärker fungieren und die Intensität des einfallenden Laserstrahls um das bis zu 23.000-fache erhöhen.
Wie es funktioniert:
Das Gerät verwendet zwei Laser, die ihren Zustand auf „0“ oder „1“ setzen und zwischen ihnen wechseln. Ein sehr schwacher Lenklaserstrahl wird verwendet, um einen anderen, helleren Laserstrahl ein- oder auszuschalten. Dafür werden nur wenige Photonen im Steuerstrahl benötigt, was das Gerät hocheffizient macht.
Das Schalten findet in einem Mikrohohlraum statt – einem 35 Nanometer dicken organischen Halbleiterpolymer, das zwischen hochreflektierenden anorganischen Strukturen eingebettet ist. Die Mikrokavität ist so konstruiert, dass das einfallende Licht möglichst lange im Inneren bleibt, um seine Wechselwirkung mit dem Material der Kavität zu erleichtern.
Diese Verbindung bildet die Basis des neuen Gerätes. Wenn Photonen stark mit gebundenen Elektron-Loch-Paaren – Exzitonen genannt – im Hohlraummaterial wechselwirken, entstehen kurzlebige Einheiten, die Exziton-Polaritonen genannt werden, die Quasiteilchen, die dem Schalter zugrunde liegen.
Wenn ein Pumplaser – der hellere der beiden – auf den Schalter strahlt, erzeugt er an derselben Stelle Tausende von identischen Quasiteilchen, die ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, das die logischen Zustände „0“ und „1“ im Gerät.
Um zwischen den beiden Ebenen des Geräts zu wechseln, nutzte das Forscherteam einen Kontrolllaserpuls, um das Kondensat kurz vor dem Eintreffen des Pumplaserpulses zu impfen. Dadurch stimuliert es die Umwandlung der Pumplaserenergie und erhöht die Menge an Quasiteilchen im Kondensat. Eine große Anzahl von Partikeln darin entspricht dem Zustand "1" des Geräts.
Die Forscher verwendeten mehrere Einstellungen, um einen geringen Stromverbrauch zu gewährleisten.
Erstens trugen Schwingungen der halbleitenden Polymermoleküle zum effizienten Schalten bei. Der Trick bestand darin, die Energielücke zwischen den Pumpzuständen und dem Kondensatzustand mit der Energie einer bestimmten Molekülschwingung im Polymer abzugleichen.
Zweitens konnte das Team die optimale Wellenlänge zum Abstimmen des Lasers finden und ein neues Messschema implementieren, das Kondensation in einem einzigen Durchgang erkennt.
Drittens wurden der Kontrolllaser, der das Kondensat aussät, und die Schaltung zu seiner Detektion so aufeinander abgestimmt, dass Rauschen von der "Hintergrund"-Strahlung des Geräts unterdrückt wurde. Diese Maßnahmen maximierten das Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts und verhinderten die Aufnahme von überschüssiger Energie durch den Mikrohohlraum, der nur dazu dienen konnte, ihn durch Molekularschwingungen zu erwärmen.
Im Allgemeinen sehen die Forscher ihren neuen Schalter nur als einen von einem ständig wachsenden Satz rein optischer Komponenten, die sie in den letzten Jahren zusammengebaut haben. Sie enthalten unter anderem einen verlustarmen Silizium-Wellenleiter zum Schalten optischer Signale zwischen Transistoren.
2021-09-26 01:25:55
Autor: Vitalii Babkin