Forskning ledd av Cavendish Laboratory vid University of Cambridge har identifierat ett material som kan hjälpa till att tackla hastighet och energi, de två största utmaningarna för framtidens datorer.

Forskning inom området ljusbaserad datoranvändning – att använda ljus istället för elektricitet för att beräkningar ska gå utöver gränserna för dagens datorer – går snabbt, men barriärer kvarstår i utvecklingen av optisk omkoppling, processen genom vilken ljuset lätt kan slås på och av, reflekterar eller sänder ljus på begäran.

Studien, publicerad i Naturkommunikation , visar att ett material känt som Ta ₂ NiSe ₅ kunde växla mellan ett fönster och en spegel på en kvadrilliondels sekund när den träffades av en kort laserpuls, banar väg för utvecklingen av ultrasnabb växling i framtidens datorer.

Materialet ser ut som en bit blyertspenna och fungerar som en isolator vid rumstemperatur, vilket innebär att när infrarött ljus träffar materialet i detta isolerande tillstånd, den går rakt igenom som ett fönster. Dock, vid uppvärmning, materialet blir en metall som fungerar som en spegel och reflekterar ljus.

"Vi visste att Ta ₂ NiSe ₅ kunde växla mellan ett fönster och en spegel när det var uppvärmt, men att värma ett föremål är en mycket långsam process, " sa Dr. Akshay Rao, Harding universitetslektor vid Cavendish Laboratory, som ledde forskningen. "Vad våra experiment har visat är att en kort laserpuls också kan utlösa denna "flip" på bara 10 ^-15 sekunder. Detta är en miljon gånger snabbare än switchar i våra nuvarande datorer."

Forskarna undersökte materialets beteende för att visa existensen av en ny fas av materia som kallas en "excitonisk isolator", som har varit experimentellt utmanande att hitta sedan det först teoretiserades på 1960-talet.

"Denna excitoniska isoleringsfas ser på många sätt ut som en mycket normal isolator, men ett sätt att skilja på en ovanlig och en vanlig isolator är att se exakt hur lång tid det tar för det att bli en metall, sade Rao. "För normal sak, att gå från en isolator till en metall är som att smälta en isbit. Atomerna själva flyttar positioner och ordnar om, gör det till en långsam process. Men i en excitonisk isolator, detta kan ske mycket snabbt eftersom atomerna själva inte behöver röra sig för att byta fas. Om vi ​​kunde hitta ett sätt att mäta hur snabbt denna övergång sker, vi skulle potentiellt kunna avslöja den excitoniska isolatorn."

För att göra dessa experiment, forskarna använde en sekvens av mycket korta laserpulser för att först störa materialet och sedan mäta hur dess reflektion förändrades. Vid rumstemperatur, de fann att när Ta ₂ NiSe ₅ träffades av en stark laserpuls, det uppvisade signaturer av det metalliska tillståndet omedelbart, bli en spegel på en tidsskala snabbare än de kunde lösa. Detta gav starka bevis för den excitoniska isolerande naturen hos Ta ₂ NiSe ₅ .

"Det här arbetet tar inte bara bort materialets kamouflage, öppnar upp för ytterligare studier av dess ovanliga kvantmekaniska beteende, det framhäver också detta materials unika förmåga att fungera som en ultrasnabb switch, " sa första författaren Hope Bretscher, också från Cavendish Laboratory. "Faktiskt, för att den optiska omkopplaren ska vara effektiv, inte bara måste det övergå snabbt från den isolerande till den metalliska fasen, men den omvända processen måste också vara snabb.

"Vi hittade att Ta ₂ NiSe ₅ återvände snabbt till ett isolerande tillstånd, mycket snabbare än andra material för kandidatbyte. Denna förmåga att gå från spegeln, till fönstret, att spegla igen, gör det extremt lockande för datorapplikationer."

"Vetenskapen är en komplicerad och utvecklande process - och vi tror att vi har kunnat ta den här diskussionen ett steg framåt. Inte bara kan vi nu bättre förstå egenskaperna hos detta material, men vi upptäckte också en intressant potentiell applikation för det, " sa medförfattaren professor Ajay Sood, från Indian Institute of Science i Bangalore.

"Medan de praktiskt taget producerar kvantomkopplare med Ta ₂ NiSe ₅ kan fortfarande vara långt kvar, att ha identifierat ett nytt förhållningssätt till den växande utmaningen med dators hastighet och energianvändning är en spännande utveckling, sa Rao.