SkoltechとIBMが率いる国際的な研究チームは、電子ではなく光子を制御する次世代コンピューターの電子トランジスタに取って代わることができる、非常にエネルギー効率の高い光スイッチを作成しました。
直接的な省電力に加えて、スイッチは冷却を必要とせず、非常に高速です。1秒あたり1兆回の動作で、現在のハイエンドの商用トランジスタよりも100〜1000倍高速です。
「新しいデバイスを非常にエネルギー効率の良いものにしているのは、それを切り替えるのに数光子しかかからないことです」と、研究の最初の著者であるアントン・ザセダテレフはコメントしました。
「実際、私たちのスコルコボ研究所では、室温でたった1つの光子でスイッチングを実現しました。しかし、このような原理のデモンストレーションが全光コプロセッサーで使用されるまでには長い道のりがあります」と、Skoltechのハイブリッドフォトニクス研究所の責任者であるPavlosLagudakis教授は付け加えました。
光子は自然界に見られる最小の光の粒子であるため、エネルギー消費に関しては改善の余地はあまりありません。最新の電気トランジスタのほとんどは、スイッチングに数十倍のエネルギーを必要とし、単一の電子を使用して同等の効率を達成するものははるかに低速です。
性能上の懸念に加えて、競合するエネルギー効率の高い電子トランジスタには、かさばる冷却装置も必要であり、これは電力を消費し、運用コストに影響を与えます。新しいスイッチは室温で快適に動作するため、これらの問題をすべて回避できます。
スイッチは、基本的なトランジスタのような機能に加えて、光信号の形でデバイス間でデータを渡すことにより、デバイスをリンクするコンポーネントとして機能することができます。また、増幅器としても機能し、入射するレーザービームの強度を最大23,000倍に高めます。
使い方：
デバイスは、状態を「0」または「1」に設定し、それらを切り替える2つのレーザーを使用します。非常に弱いステアリングレーザービームを使用して、別のより明るいレーザービームをオンまたはオフにします。これにより、ステアリングビームに数個の光子が必要になるだけで、デバイスの効率が向上します。
スイッチングは、マイクロキャビティ内で行われます。これは、反射率の高い無機構造の間に挟まれた厚さ35ナノメートルの有機半導体ポリマーです。マイクロキャビティは、キャビティの材料との相互作用を容易にするために、入射光を可能な限り長く内部に保持するように構築されています。
この接続は、新しいデバイスの基礎を形成します。光子がキャビティ材料内の結合した電子正孔対（励起子と呼ばれる）と強く相互作用すると、励起子ポラリトンと呼ばれる短命のエンティティが発生します。これは、スイッチの基礎となる準粒子の一種です。
ポンプレーザー（2つのうち明るい方）がスイッチを照らすと、同じ場所に何千もの同一の準粒子が生成され、論理「0」と「1」の状態をエンコードするいわゆるボーズアインシュタイン凝縮が形成されます。端末。
デバイスの2つのレベルを切り替えるために、研究チームは制御レーザーパルスを使用して、ポンプレーザーパルスが到着する直前に凝縮液をシードしました。その結果、ポンプのレーザーエネルギーの変換を刺激し、凝縮液中の準粒子の量を増やします。その中の多数の粒子は、デバイスの状態「1」に対応します。
研究者は、低消費電力を確保するためにいくつかの設定を使用しました。
第一に、半導体ポリマー分子の振動が効率的なスイッチングに貢献しました。秘訣は、ポンピング状態と凝縮状態の間のエネルギーギャップをポリマー内の特定の分子振動のエネルギーと一致させることでした。
次に、チームはレーザーを調整するための最適な波長を見つけ、シングルパスで結露を検出する新しい測定スキームを実装することができました。
第三に、制御レーザー、凝縮液のシード、およびその検出のための回路は、デバイスの「バックグラウンド」放射からのノイズを抑制するように一致しました。これらの対策は、デバイスの信号対雑音比を最大化し、マイクロキャビティによる過剰なエネルギーの吸収を防ぎました。マイクロキャビティは、分子振動によってのみデバイスを加熱するのに役立ちます。
より広義には、研究者たちは、新しいスイッチを、過去数年間に組み立てた全光学部品の増え続けるセットの1つにすぎないと考えています。とりわけ、トランジスタ間で光信号を切り替えるための低損失シリコン導波路が含まれています。
2021-09-26 01:25:55
著者: Vitalii Babkin