Framtiden för snabbare, effektivare informationsbehandling kan handla om ljus snarare än elektricitet. Mark Lawrence, en postdoktor i materialvetenskap och teknik vid Stanford, har tagit ett steg närmare denna framtid med ett schema för att göra en fotondiod – en enhet som tillåter ljus att bara flöda i en riktning – som, till skillnad från andra ljusbaserade dioder, är tillräckligt liten för hemelektronik.

Allt han behövde göra var att designa strukturer som var mindre än mikroskopiska och bryta en grundläggande fysiksymmetri.

"Dioder är allestädes närvarande i modern elektronik, från lysdioder (ljusemitterande dioder) till solceller (i huvudsak lysdioder körs omvänt) till integrerade kretsar för datorer och kommunikation, sa Jennifer Dionne, docent i materialvetenskap och ingenjörskonst och senior författare på uppsatsen som beskriver detta arbete, publicerad 24 juli in Naturkommunikation . "Att uppnå kompakt, effektiva fotoniska dioder är avgörande för att möjliggöra nästa generations datoranvändning, kommunikation och till och med energiomvandlingsteknik."

Vid denna tidpunkt, Dionne och Lawrence har designat den nya fotondioden och kontrollerat deras design med datorsimuleringar och beräkningar. De har också skapat de nödvändiga nanostrukturerna – de anpassade komponenterna som är mindre än mikroskopiska – och installerar ljuskällan som de hoppas ska ge liv till deras teoretiserade system.

"En storslagen vision är att ha en helt optisk dator där elektricitet helt ersätts av ljus och fotoner driver all informationsbehandling, Lawrence sa. "Ljusets ökade hastighet och bandbredd skulle möjliggöra snabbare lösningar på några av de svåraste vetenskapliga, matematiska och ekonomiska problem."

Snurrande ljus, bryta mot lagar

De största utmaningarna med en ljusbaserad diod är tvåfaldiga. Först, följa termodynamikens lagar, ljus ska röra sig framåt genom ett föremål utan rörliga delar på exakt samma sätt som det skulle röra sig bakåt. Att få det att flyta i en riktning kräver nya material som kullkastar denna lag, bryta vad som är känt som tidsreverseringssymmetri. Andra, ljus är mycket svårare att hantera än elektricitet eftersom det inte har någon laddning.

Andra forskare har tidigare tagit itu med dessa utmaningar genom att leda ljus genom en polarisator – som får ljusvågorna att oscillera i en enhetlig riktning – och sedan genom ett kristallint material inom ett magnetfält, som roterar ljusets polarisering. Till sist, en annan polarisator som matchar den polarisationen leder ljuset ut med nästan perfekt överföring. Om ljus leds genom enheten i motsatt riktning, inget ljus går ut.

Lawrence beskrev enkelriktad handling av denna tredelade uppsättning, känd som en Faraday-isolator, som att ta en rörlig trottoar mellan två dörrar, där trottoaren spelar rollen som magnetfältet. Även om du försökte gå baklänges genom den sista dörren, trottoaren skulle vanligtvis hindra dig från att nå den första dörren.

För att producera en tillräckligt stark rotation av ljuspolarisationen, dessa typer av dioder måste vara relativt stora – alldeles för stora för att passa in i konsumentdatorer eller smartphones. Som ett alternativ, Dionne och Lawrence kom på ett sätt att skapa rotation i kristall med en annan ljusstråle istället för ett magnetfält. Denna stråle är polariserad så att dess elektriska fält antar en spiralrörelse som, i tur och ordning, genererar roterande akustiska vibrationer i kristallen som ger den magnetiska snurrförmåga och gör att mer ljus kan komma ut. För att göra strukturen både liten och effektiv, Dionne-labbet förlitade sig på sin expertis i att manipulera och förstärka ljus med små nanoantenner och nanostrukturerade material som kallas metasytor.

Forskarna designade uppsättningar av ultratunna kiselskivor som arbetar i par för att fånga ljuset och förbättra dess spiralrörelse tills det hittar sin väg ut. Detta resulterar i hög transmission i framåtriktningen. När den lyser bakåt, de akustiska vibrationerna snurrar i motsatt riktning och hjälper till att eliminera allt ljus som försöker komma ut. Teoretiskt sett, det finns ingen gräns för hur litet detta system kan vara. För deras simuleringar, de föreställde sig strukturer så tunna som 250 nanometer. (Som referens, ett pappersark är cirka 100, 000 nanometer tjock.)

Vad är möjligt

Hela bilden, forskarna är särskilt intresserade av hur deras idéer kan påverka utvecklingen av hjärnliknande datorer, kallas neuromorfa datorer. Detta mål kommer också att kräva ytterligare framsteg inom andra ljusbaserade komponenter, såsom ljuskällor och strömbrytare i nanoskala.

"Våra nanofotoniska enheter kan tillåta oss att härma hur neuroner beräknar - vilket ger datorer samma höga sammankoppling och energieffektivitet som hjärnan, men med mycket högre beräkningshastigheter, " sa Dionne.

"Vi kan ta dessa idéer i så många riktningar, " sade Lawrence. "Vi har inte hittat gränserna för klassisk eller kvantoptisk beräkning och optisk informationsbehandling. En dag skulle vi kunna ha ett helt optiskt chip som gör allt som elektronik gör och mer."