En internationell forskargrupp ledd av Skoltech och IBM har skapat en extremt energieffektiv optisk switch som kan ersätta elektroniska transistorer i en ny generation av datorer som manipulerar fotoner snarare än elektroner. Förutom direkt energibesparing, switchen kräver ingen kylning och är riktigt snabb:med 1 biljon operationer per sekund, det är mellan 100 och 1, 000 gånger snabbare än dagens förstklassiga kommersiella transistorer. Studien kommer ut på onsdag kl Natur .

"Vad som gör den nya enheten så energieffektiv är att det bara tar några få fotoner att byta, "första författaren till studien, Dr Anton Zasedatelev kommenterade. "Faktiskt, i våra Skoltech-labb uppnådde vi byte med bara en foton vid rumstemperatur. Som sagt, det är en lång väg kvar innan en sådan principbevis-demonstration används i en helt optisk samprocessor, " tillade professor Pavlos Lagoudakis, som leder Hybrid Photonics Labs på Skoltech.

Eftersom en foton är den minsta ljuspartikel som finns i naturen, det finns verkligen inte mycket utrymme för förbättringar utöver det när det gäller strömförbrukningen. De flesta moderna elektriska transistorer tar tiotals gånger mer energi att byta, och de som använder enstaka elektroner för att uppnå jämförbar effektivitet är mycket långsammare.

Förutom prestandaproblem tenderar de konkurrerande energibesparande elektroniska transistorerna också att kräva skrymmande kylutrustning, vilket i sin tur förbrukar kraft och tar in i driftskostnaderna. Den nya strömbrytaren fungerar bekvämt i rumstemperatur och kringgår därför alla dessa problem.

Förutom dess primära transistorliknande funktion, switchen kan fungera som en komponent som länkar samman enheter genom att överföra data mellan dem i form av optiska signaler. Den kan också fungera som en förstärkare, öka intensiteten hos en inkommande laserstråle med en faktor på upp till 23, 000.

Hur det fungerar

Enheten förlitar sig på två lasrar för att ställa in dess tillstånd till "0" eller "1" och för att växla mellan dem. En mycket svag kontrolllaserstråle används för att vända en annan, ljusare laserstråle på eller av. Det tar bara några få fotoner i kontrollstrålen, därav enhetens höga effektivitet.

Omkopplingen sker inuti en mikrokavitet - en 35 nanometer tunn organisk halvledande polymer inklämd mellan högreflekterande oorganiska strukturer. Mikrokaviteten är byggd på ett sådant sätt att det håller inkommande ljus fångat inuti så länge som möjligt för att gynna dess koppling med kavitetens material.

Denna lätt-materia-koppling utgör grunden för den nya enheten. När fotoner kopplas starkt till bundna elektron-hål-par - aka excitoner - i kavitetens material, detta ger upphov till kortlivade enheter som kallas exciton-polaritoner, som är ett slags kvasipartiklar i hjärtat av switchens funktion.

När pumplasern – den ljusare av de två – lyser på strömbrytaren, detta skapar tusentals identiska kvasipartiklar på samma plats, bildar så kallat Bose-Einstein-kondensat, som kodar "0" och "1" logiska tillstånd för enheten.

För att växla mellan enhetens två nivåer, teamet använde en kontrolllaserpuls som sådde kondensatet strax före ankomsten av pumplaserpulsen. Som ett resultat, det stimulerar energiomvandlingen från pumplasern, öka mängden kvasipartiklar vid kondensatet. Den höga mängden partiklar däri motsvarar enhetens "1"-tillstånd.

Forskarna använde flera justeringar för att säkerställa låg strömförbrukning:Först, effektiv omkoppling hjälptes av vibrationerna från den halvledande polymerens molekyler. Tricket var att matcha energigapet mellan de pumpade tillstånden och kondensattillståndet till energin från en viss molekylär vibration i polymeren. Andra, teamet lyckades hitta den optimala våglängden att ställa in sin laser på och implementerade ett nytt mätschema som möjliggör detektering av engångskondensat. Tredje, kontrolllasern som sådde kondensatet och dess detektionsschema matchades på ett sätt som undertryckte bruset från enhetens "bakgrunds"-emission. Dessa åtgärder maximerade enhetens signal-till-brusnivå och förhindrade att överskott av energi absorberades av mikrokaviteten, som endast skulle tjäna till att värma upp den genom molekylära vibrationer.

"Det finns fortfarande en del arbete framför oss för att sänka den totala strömförbrukningen för vår enhet, som för närvarande domineras av pumplasern som håller strömbrytaren på. En väg mot det målet kan vara perovskit superkristallmaterial som de vi utforskar med medarbetare. De har visat sig vara utmärkta kandidater med tanke på deras starka ljus-materia-koppling som i sin tur leder till ett kraftfullt kollektivt kvantsvar i form av superfluorescens, " kommenterar laget.

I det större sammanhanget, forskarna ser deras nya switch som bara en i den växande verktygslådan av helt optiska komponenter som de har satt ihop under de senaste åren. Bland annat, den innehåller en vågledare av kisel med låg förlust för att växla de optiska signalerna fram och tillbaka mellan transistorer. Utvecklingen av dessa komponenter tar oss allt närmare optiska datorer som skulle manipulera fotoner istället för elektroner, vilket resulterar i mycket överlägsen prestanda och lägre strömförbrukning.