Une équipe de recherche internationale dirigée par Skoltech et IBM a créé un commutateur optique extrêmement économe en énergie qui pourrait remplacer les transistors électroniques dans les ordinateurs de nouvelle génération qui contrôlent les photons plutôt que les électrons.
En plus des économies d'énergie directes, le commutateur ne nécessite aucun refroidissement et est extrêmement rapide : à 1 000 milliards d'opérations par seconde, il est 100 à 1 000 fois plus rapide que les transistors commerciaux haut de gamme actuels.
"Ce qui rend le nouvel appareil si économe en énergie, c'est qu'il suffit de quelques photons pour le changer", a commenté le premier auteur de l'étude, Anton Zasedatelev.
« En fait, dans nos laboratoires Skoltech, nous avons réussi la commutation avec un seul photon à température ambiante ! Cependant, il reste un long chemin à parcourir avant qu'une telle démonstration du principe ne soit utilisée dans un coprocesseur tout optique », a ajouté le professeur Pavlos Lagudakis, chef du laboratoire de photonique hybride à Skoltech.
Étant donné qu'un photon est la plus petite particule de lumière trouvée dans la nature, il n'y a vraiment pas beaucoup de place pour l'amélioration en matière de consommation d'énergie. La plupart des transistors électriques modernes nécessitent des dizaines de fois plus d'énergie pour commuter, et ceux qui utilisent des électrons uniques pour atteindre une efficacité comparable sont beaucoup plus lents.
En plus des problèmes de performances, les transistors électroniques économes en énergie concurrents nécessitent également un équipement de refroidissement encombrant, qui à son tour consomme de l'énergie et a un impact sur les coûts d'exploitation. Le nouvel interrupteur fonctionne confortablement à température ambiante et évite donc tous ces problèmes.
En plus de sa fonction de base de type transistor, un commutateur peut agir comme un composant qui relie les appareils en transmettant des données entre eux sous la forme de signaux optiques. Il peut également agir comme un amplificateur, augmentant l'intensité du faisceau laser entrant jusqu'à 23 000 fois.
Comment ça fonctionne:
L'appareil utilise deux lasers qui définissent leur état sur "0" ou "1" et basculent entre eux. Un faisceau laser de direction très faible est utilisé pour activer ou désactiver un autre faisceau laser plus lumineux. Cela ne nécessite que quelques photons dans le faisceau de direction, ce qui rend l'appareil très efficace.
La commutation a lieu à l'intérieur d'une microcavité - un polymère semi-conducteur organique de 35 nanomètres d'épaisseur pris en sandwich entre des structures inorganiques hautement réfléchissantes. La microcavité est construite de manière à garder la lumière entrante à l'intérieur le plus longtemps possible afin de faciliter son interaction avec le matériau de la cavité.
Cette connexion constitue la base du nouveau dispositif. Lorsque les photons interagissent fortement avec des paires électron-trou liées - appelées excitons - dans le matériau de la cavité, cela donne naissance à des entités à courte durée de vie appelées polaritons d'excitons, qui sont le type de quasi-particules qui sous-tendent le commutateur.
Lorsqu'un laser à pompe - le plus brillant des deux - brille sur l'interrupteur, il crée des milliers de quasiparticules identiques au même endroit, formant un condensat dit de Bose-Einstein qui code les états logiques "0" et "1" dans le dispositif.
Pour basculer entre les deux niveaux de l'appareil, l'équipe de recherche a utilisé une impulsion laser de contrôle pour ensemencer le condensat peu de temps avant l'arrivée de l'impulsion laser de pompe. En conséquence, il stimule la conversion de l'énergie du laser de pompe, augmentant la quantité de quasi-particules dans le condensat. Un grand nombre de particules qu'il contient correspond à l'état "1" de l'appareil.
Les chercheurs ont utilisé plusieurs paramètres pour garantir une faible consommation d'énergie.
Premièrement, les vibrations des molécules de polymère semi-conducteur ont contribué à une commutation efficace. L'astuce consistait à faire correspondre l'écart énergétique entre les états de pompage et l'état de condensat avec l'énergie d'une vibration moléculaire particulière dans le polymère.
Deuxièmement, l'équipe a pu trouver la longueur d'onde optimale pour régler le laser et mettre en œuvre un nouveau schéma de mesure qui détecte la condensation en un seul passage.
Troisièmement, le laser de contrôle, semant le condensat, et le circuit pour sa détection ont été adaptés de manière à supprimer le bruit du rayonnement "de fond" de l'appareil. Ces mesures maximisaient le rapport signal sur bruit du dispositif et empêchaient l'absorption d'énergie excédentaire par la microcavité, qui ne pouvait servir qu'à la chauffer par vibrations moléculaires.
Plus généralement, les chercheurs voient leur nouveau commutateur comme l'un des nombreux composants entièrement optiques qu'ils ont assemblés au cours des dernières années. Entre autres choses, ils comprennent un guide d'onde en silicium à faible perte pour la commutation des signaux optiques entre les transistors.
2021-09-26 01:25:55
Auteur: Vitalii Babkin