Skoltech와 IBM이 이끄는 국제 연구팀은 전자가 아닌 광자를 제어하는 차세대 컴퓨터에서 전자 트랜지스터를 대체할 수 있는 매우 에너지 효율적인 광 스위치를 만들었습니다.
직접적인 절전 기능 외에도 스위치는 냉각이 필요하지 않고 매우 빠릅니다. 초당 1조 작업으로 현재의 고급 상용 트랜지스터보다 100~1000배 빠릅니다.
연구의 제1저자인 Anton Zasedatelev는 "새로운 장치를 에너지 효율로 만드는 것은 그것을 전환하는 데 몇 개의 광자가 필요하다는 것입니다."라고 말했습니다.
“사실, Skoltech 연구소에서는 실온에서 단 하나의 광자로 스위칭을 달성했습니다! 그러나 이러한 원리의 시연이 전광학 보조 프로세서에 사용되기까지는 갈 길이 멀다고 Skoltech의 Hybrid Photonics Laboratory 소장인 Pavlos Lagudakis 교수가 말했습니다.
광자는 자연에서 발견되는 빛의 가장 작은 입자이기 때문에 실제로 에너지 소비와 관련하여 개선의 여지가 많지 않습니다. 대부분의 최신 전기 트랜지스터는 전환하는 데 수십 배 더 많은 에너지가 필요하며 단일 전자를 사용하여 비슷한 효율을 달성하는 트랜지스터는 훨씬 느립니다.
성능 문제 외에도, 경쟁하는 에너지 효율적인 전자 트랜지스터는 또한 전력을 소비하고 운영 비용에 영향을 미치는 부피가 큰 냉각 장비를 필요로 합니다. 새로운 스위치는 실온에서 편안하게 작동하므로 이러한 모든 문제를 피할 수 있습니다.
기본적인 트랜지스터와 같은 기능 외에도 스위치는 광 신호의 형태로 데이터를 장치 간에 전달하여 장치를 연결하는 구성 요소 역할을 할 수 있습니다. 또한 증폭기 역할을 하여 들어오는 레이저 빔의 강도를 최대 23,000배까지 높일 수 있습니다.
작동 방식:
이 장치는 상태를 "0" 또는 "1"로 설정하고 둘 사이를 전환하는 두 개의 레이저를 사용합니다. 매우 약한 조향 레이저 빔은 다른 더 밝은 레이저 빔을 켜거나 끄는 데 사용됩니다. 이것은 조향 빔에 몇 개의 광자가 필요하므로 장치를 매우 효율적으로 만듭니다.
스위칭은 반사율이 높은 무기 구조 사이에 끼워진 35나노미터 두께의 유기 반도체 폴리머인 미세 공간(microcavity) 내부에서 발생합니다. 마이크로 캐비티는 캐비티의 재료와의 상호 작용을 용이하게 하기 위해 들어오는 빛을 가능한 한 오랫동안 내부에 유지하는 방식으로 구성됩니다.
이 연결은 새 장치의 기초를 형성합니다. 광자가 캐비티 물질에서 결합된 전자-정공 쌍(엑시톤이라고 함)과 강하게 상호작용할 때 스위치의 기초가 되는 일종의 준입자인 엑시톤 폴라리톤(exciton polaritons)이라고 불리는 수명이 짧은 독립체를 생성합니다.
펌프 레이저(둘 중 더 밝은)가 스위치를 비추면 동일한 위치에 수천 개의 동일한 준입자가 생성되어 논리 "0"과 "1" 상태를 인코딩하는 소위 보스-아인슈타인 응축물을 형성합니다. 장치.
장치의 두 레벨 사이를 전환하기 위해 연구팀은 펌프 레이저 펄스가 도착하기 직전에 제어 레이저 펄스를 사용하여 응축수를 시드했습니다. 결과적으로 펌프 레이저 에너지의 변환을 자극하여 응축수 내 준입자의 양을 증가시킵니다. 많은 수의 입자가 장치의 상태 "1"에 해당합니다.
연구원들은 낮은 전력 소비를 보장하기 위해 몇 가지 설정을 사용했습니다.
첫째, 반도체 고분자 분자의 진동이 효율적인 스위칭에 기여했다. 그 비결은 펌핑 상태와 응축수 상태 사이의 에너지 갭을 폴리머의 특정 분자 진동 에너지와 일치시키는 것이었습니다.
둘째, 팀은 레이저를 조정하고 단일 패스에서 응결을 감지하는 새로운 측정 방식을 구현하기 위한 최적의 파장을 찾을 수 있었습니다.
셋째, 제어 레이저, 응축수 시딩 및 감지 회로는 장치의 "배경" 복사에서 발생하는 노이즈를 억제하는 방식으로 일치되었습니다. 이러한 조치는 장치의 신호 대 잡음비를 최대화하고 분자 진동에 의해서만 가열될 수 있는 미세 공간에 의한 과잉 에너지 흡수를 방지했습니다.
보다 광범위하게, 연구원들은 그들의 새로운 스위치를 지난 몇 년 동안 조립한 모든 광학 부품의 계속 성장하는 세트 중 하나로 보고 있습니다. 무엇보다도 트랜지스터 간에 광 신호를 전환하기 위한 저손실 실리콘 도파관이 포함됩니다.
2021-09-26 01:25:55
작가: Vitalii Babkin