(Phys.org)—Datorer kan bli snabbare för varje år, men dessa framsteg i datorhastighet skulle kunna försvagas om deras 1:or och 0:or representerades av ljusskurar, istället för el.

Forskare vid University of Pennsylvania har gjort ett viktigt framsteg inom denna gräns för fotonik, utveckla den första helt optiska fotoniska switchen av kadmiumsulfid nanotrådar. Dessutom, de kombinerade dessa fotoniska switchar till en logisk grind, en grundläggande komponent i datorchips som bearbetar information.

Forskningen utfördes av docent Ritesh Agarwal och doktorand Brian Piccione från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science. Postdoktorander Chang-Hee Cho och Lambert van Vugt, även av materialvetenskapsavdelningen, bidragit till studien.

Det publicerades i tidskriften Naturens nanoteknik .

Forskargruppens innovation byggde på deras tidigare forskning, som visade att deras kadmiumsulfid nanotrådar uppvisade extremt stark lätt-materia-koppling, vilket gör dem särskilt effektiva för att hantera ljus. Denna kvalitet är avgörande för utvecklingen av fotoniska kretsar i nanoskala, eftersom befintliga mekanismer för att kontrollera ljusflödet är skrymmande och kräver mer energi än deras elektroniska analoger.

"De största utmaningarna för fotoniska strukturer på nanoskala är att få in ljuset, manipulera den när den väl är där och sedan få ut den, Agarwal sa. "Vår stora innovation var hur vi löste det första problemet, genom att det gjorde det möjligt för oss att använda själva nanotrådarna för en ljuskälla på chip."

Forskargruppen började med att exakt skära en lucka i en nanotråd. De pumpade sedan tillräckligt mycket energi in i det första nanotrådssegmentet att det började avge laserljus från dess ände och genom gapet. Eftersom forskarna började med en enda nanotråd, de två segmentändarna var perfekt matchade, tillåter det andra segmentet att effektivt absorbera och överföra ljuset längs dess längd.

"När vi har ljuset i det andra segmentet, vi lyser ytterligare ett ljus genom strukturen och stänger av det som transporteras genom den tråden, Agarwal sa. "Det är det som gör det till en switch."

Forskarna kunde mäta intensiteten av ljuset som kommer ut från änden av den andra nanotråden och visa att omkopplaren effektivt kan representera de binära tillstånden som används i logiska enheter.

"Att sätta ihop switchar låter dig skapa logiska grindar, och montering av logiska grindar gör att du kan göra beräkningar, ", sa Piccione. "Vi använde dessa optiska switchar för att konstruera en NAND-grind, som är en grundläggande byggsten i modern datorbehandling."

En NAND-grind, som står för "inte och, " returnerar en "0"-utgång när alla dess ingångar är "1." Den konstruerades av forskarna genom att kombinera två nanotrådsväxlar till en Y-formad konfiguration.  NAND-grindar är viktiga för beräkning eftersom de är "funktionellt kompletta, " vilket innebär att, när den sätts i rätt ordning, de kan göra vilken logisk operation som helst och utgöra därmed grunden för datorprocessorer för allmänna ändamål.

"Vi ser en framtid där "konsumentelektronik" blir "konsumentfotonik", Agarwal sa. "Och den här studien visar att det är möjligt."