Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik och King's College London rensade hindret som hade förhindrat skapandet av elektriskt drivna nanoler för integrerade kretsar. Tillvägagångssättet, rapporterade i en ny tidning i Nanofotonik , möjliggör koherent ljuskälldesign på skalan, inte bara hundratals gånger mindre än tjockleken på ett människohår utan även mindre än våglängden för ljus som avges av lasern. Detta lägger grunden för ultrasnabb optisk dataöverföring i de mångacore mikroprocessorer som förväntas dyka upp inom en snar framtid.

Ljussignaler revolutionerade informationstekniken på 1980 -talet, när optiska fibrer började ersätta koppartrådar, gör dataöverföringsordrar i storleksordning snabbare. Eftersom optisk kommunikation bygger på ljus - elektromagnetiska vågor med en frekvens av flera hundra terahertz - gör det möjligt att överföra terabyte med data varje sekund genom en enda fiber, mycket bättre än elektriska sammankopplingar.

Fiberoptik ligger till grund för det moderna internet, men ljus kan göra mycket mer för oss. Det kan tas i bruk även i mikroprocessorerna i superdatorer, arbetsstationer, smartphones, och andra enheter. Detta kräver att optiska kommunikationslinjer används för att koppla ihop de rent elektroniska komponenterna, exempelvis processorkärnor. Som ett resultat, stora mängder information kunde överföras över chipet nästan omedelbart.

Att bli av med begränsningen för dataöverföring gör det möjligt att direkt förbättra mikroprocessorns prestanda genom att stapla fler processorkärnor, till den punkt att skapa ett 1, 000-core-processor som skulle vara nästan 100 gånger snabbare än sin 10-core-motsvarighet, som förföljs av halvledarindustrigiganterna IBM, HP, Intel, Orakel, och andra. Detta i sin tur gör det möjligt att designa en sann superdator på ett enda chip.

Utmaningen är att ansluta optik och elektronik på nanoskala. För att uppnå detta, de optiska komponenterna kan inte vara större än hundratals nanometer, vilket är ungefär 100 gånger mindre än bredden på ett människohår. Denna storleksbegränsning gäller också för lasrar på chip, som är nödvändiga för att konvertera information från elektriska signaler till optiska pulser som bär bitarna i data.

Dock, ljus är ett slags elektromagnetisk strålning med en våglängd på hundratals nanometer. Och kvantosäkerhetsprincipen säger att det finns en viss minsta volym som ljuspartiklar, eller fotoner, kan lokaliseras i. Den kan inte vara mindre än våglängdens kub. I grova termer, om man gör en laser för liten, fotonerna passar inte in i den. Som sagt, det finns sätt att kringgå denna begränsning av storleken på optiska enheter, som är känd som diffraktionsgränsen. Lösningen är att ersätta fotoner med ytplasmon-polaritoner, eller SPP.

SPP är kollektiva svängningar av elektroner som är begränsade till ytan av en metall och interagerar med det omgivande elektromagnetiska fältet. Endast ett fåtal metaller som kallas plasmoniska metaller är bra att arbeta med SPP:guld, silver, koppar, och aluminium. Precis som fotoner, SPP är elektromagnetiska vågor, men med samma frekvens är de mycket bättre lokaliserade - det vill säga de tar mindre plats. Att använda SPP istället för fotoner gör det möjligt att "komprimera" ljus och på så sätt övervinna diffraktionsgränsen.

Designen av verkligt nanoskala plasmoniska lasrar är redan möjlig med nuvarande teknik. Dock, dessa nanolasers pumpas optiskt, det är, de måste belysas med externa skrymmande och kraftfulla lasrar. Detta kan mycket väl vara praktiskt för vetenskapliga experiment, men inte utanför laboratoriet. Ett elektroniskt chip avsett för massproduktion och verkliga applikationer måste innehålla hundratals nanolasers och fungera på ett vanligt kretskort. En praktisk laser måste pumpas elektriskt, eller, med andra ord, drivs av ett vanligt batteri eller likström. Hittills är sådana lasrar endast tillgängliga som enheter som fungerar vid kryogena temperaturer, som inte är lämplig för de flesta praktiska tillämpningar, eftersom kylning av flytande kväve normalt inte är möjligt.

Fysikerna från Moskva institutet för fysik och teknik (MIPT) och King's College London har föreslagit ett alternativ till det konventionella sättet med elektrisk pumpning. Vanligtvis kräver systemet för elektrisk pumpning av nanolasers en ohmsk kontakt gjord av titan, krom, eller en liknande metall. Dessutom, den kontakten måste vara en del av resonatorn - volymen där laserstrålningen genereras. Problemet med det är att titan och krom absorberar starkt ljus, vilket skadar resonatorns prestanda. Sådana lasrar lider av hög pumpström och är mottagliga för överhettning. Det är därför behovet av kryogen kylning dyker upp, tillsammans med alla besvär det medför.

Det föreslagna nya systemet för elektrisk pumpning är baserat på en dubbel heterostruktur med en tunnling Schottky -kontakt. Det gör den ohmiska kontakten med sin starkt absorberande metall överflödig. Pumpningen sker nu över gränssnittet mellan plasmonisk metall och halvledare, längs vilka SPP sprider sig. "Vår nya pumpmetod gör det möjligt att ta den elektriskt drivna lasern till nanoskala, samtidigt som den behåller sin förmåga att arbeta vid rumstemperatur. På samma gång, till skillnad från andra elektriskt pumpade nanoler, strålningen riktas effektivt till en fotonisk eller plasmonisk vågledare, gör nanolaser lämplig för integrerade kretsar, "Dr Dmitry Fedyanin från Center for Photonics and 2-D Materials på MIPT kommenterade.

Den plasmoniska nanolaser som forskarna föreslår är mindre - i var och en av sina tre dimensioner - än våglängden för ljuset som det avger. Dessutom, volymen som upptas av SPP i nanolaser är 30 gånger mindre än ljusvåglängden kubad. Enligt forskarna, deras rumstemperaturplasmoniska nanolaser kunde enkelt göras ännu mindre, gör dess egenskaper ännu mer imponerande, men det skulle komma på bekostnad av oförmågan att effektivt extrahera strålningen i en bussvågledare. Således, medan ytterligare miniatyrisering skulle göra enheten dåligt tillämpbar på integrerade kretsar på chip, det skulle fortfarande vara bekvämt för kemiska och biologiska sensorer och nära fältet optisk spektroskopi eller optogenetik.

Trots dess nanoskala dimensioner, den förutspådda uteffekten för nanolaser uppgår till över 100 mikrovatt, vilket är jämförbart med mycket större fotoniska lasrar. En sådan hög uteffekt gör att varje nanolaser kan användas för att överföra hundratals gigabit per sekund, eliminera ett av de mest formidabla hindren för högpresterande mikrochips. Och det inkluderar alla typer av avancerade datorenheter:superdatorprocessorer, grafiska processorer, och kanske till och med några prylar som ska uppfinnas i framtiden.