Un team di ricerca internazionale guidato da Skoltech e IBM ha creato un interruttore ottico estremamente efficiente dal punto di vista energetico che potrebbe sostituire i transistor elettronici nei computer di prossima generazione che controllano i fotoni anziché gli elettroni.
Oltre al risparmio energetico diretto, lo switch non richiede raffreddamento ed è estremamente veloce: con 1 trilione di operazioni al secondo, è da 100 a 1000 volte più veloce degli attuali transistor commerciali di fascia alta.
"Ciò che rende il nuovo dispositivo così efficiente dal punto di vista energetico è che bastano pochi fotoni per attivarlo", ha commentato il primo autore dello studio, Anton Zasedatelev.
“In effetti, nei nostri laboratori Skoltech, abbiamo ottenuto la commutazione con un solo fotone a temperatura ambiente! Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima che una tale dimostrazione del principio venga utilizzata in un coprocessore completamente ottico ", ha aggiunto il professor Pavlos Lagudakis, capo del Laboratorio di fotonica ibrida presso Skoltech.
Poiché un fotone è la più piccola particella di luce presente in natura, non c'è davvero molto spazio per miglioramenti quando si tratta di consumo di energia. La maggior parte dei transistor elettrici moderni richiede dieci volte più energia per la commutazione e quelli che utilizzano singoli elettroni per ottenere un'efficienza comparabile sono molto più lenti.
Oltre ai problemi di prestazioni, i transistor elettronici concorrenti ad alta efficienza energetica richiedono anche apparecchiature di raffreddamento ingombranti, che a loro volta consumano energia e incidono sui costi operativi. Il nuovo interruttore funziona comodamente a temperatura ambiente e quindi evita tutti questi problemi.
Oltre alla sua funzione di base simile a un transistor, un interruttore può agire come un componente che collega i dispositivi passando dati tra di loro sotto forma di segnali ottici. Può anche fungere da amplificatore, aumentando l'intensità del raggio laser in ingresso fino a 23.000 volte.
Come funziona:
Il dispositivo utilizza due laser che impostano il loro stato su "0" o "1" e passano da uno all'altro. Un raggio laser sterzante molto debole viene utilizzato per accendere o spegnere un altro raggio laser più luminoso. Ciò richiede solo pochi fotoni nel raggio di guida, il che rende il dispositivo altamente efficiente.
La commutazione avviene all'interno di una microcavità, un polimero semiconduttore organico spesso 35 nanometri inserito tra strutture inorganiche altamente riflettenti. La microcavità è costruita in modo tale da trattenere la luce in ingresso il più a lungo possibile in modo da facilitarne l'interazione con il materiale della cavità.
Questa connessione costituisce la base del nuovo dispositivo. Quando i fotoni interagiscono fortemente con le coppie elettrone-lacuna legate - chiamate eccitoni - nel materiale della cavità, danno origine a entità di breve durata chiamate polaritoni eccitoni, che sono il tipo di quasiparticelle che stanno alla base dell'interruttore.
Quando un laser a pompa - il più luminoso dei due - brilla sull'interruttore, crea migliaia di quasiparticelle identiche nello stesso punto, formando un cosiddetto condensato di Bose-Einstein che codifica gli stati logici "0" e "1" nel dispositivo.
Per passare tra i due livelli del dispositivo, il team di ricerca ha utilizzato un impulso laser di controllo per seminare la condensa poco prima dell'arrivo dell'impulso laser della pompa. Di conseguenza, stimola la conversione dell'energia laser della pompa, aumentando la quantità di quasiparticelle nel condensato. Un gran numero di particelle in esso corrisponde allo stato "1" del dispositivo.
I ricercatori hanno utilizzato diverse impostazioni per garantire un basso consumo energetico.
Innanzitutto, le vibrazioni delle molecole polimeriche semiconduttrici hanno contribuito a una commutazione efficiente. Il trucco consisteva nel far corrispondere il divario energetico tra gli stati di pompaggio e lo stato di condensazione con l'energia di una particolare vibrazione molecolare nel polimero.
In secondo luogo, il team è stato in grado di trovare la lunghezza d'onda ottimale per sintonizzare il laser e implementare un nuovo schema di misurazione che rileva la condensa in un unico passaggio.
Terzo, il laser di controllo, che semina la condensa, e il circuito per il suo rilevamento sono stati abbinati in modo tale da sopprimere il rumore dalla radiazione di "sfondo" del dispositivo. Queste misure hanno massimizzato il rapporto segnale-rumore del dispositivo e hanno impedito l'assorbimento dell'energia in eccesso da parte della microcavità, che potrebbe servire solo a riscaldarla mediante vibrazioni molecolari.
Più in generale, i ricercatori vedono il loro nuovo interruttore come solo uno di una serie in continua crescita di componenti completamente ottici che hanno assemblato negli ultimi anni. Tra le altre cose, includono una guida d'onda in silicio a bassa perdita per la commutazione di segnali ottici tra transistor.
2021-09-26 01:25:55
Autore: Vitalii Babkin