Varje sekund, din dator måste bearbeta miljarder beräkningssteg för att producera även de enklaste utdata. Tänk om vart och ett av dessa steg kunde göras lite mer effektivt. "Det skulle spara värdefulla nanosekunder, " förklarade Northeastern University biträdande professor i fysik Swastik Kar.

Kar och hans kollega Yung Joon Jung, en docent vid institutionen för maskin- och industriteknik, har utvecklat en serie nya enheter som gör just det. Deras arbete publicerades nyligen i tidskriften Naturfotonik .

Förra året, den tvärvetenskapliga duon kombinerade sin expertis – Kars inom grafen, ett kolbaserat material känt för sin styrka och ledningsförmåga, och Jungs i mekaniken för kolnanorör, som är nanometerstora upprullade ark av grafen - för att avslöja ett fysiskt fenomen som kan inleda en ny våg av mycket effektiv elektronik.

De upptäckte att ljusinducerade elektriska strömmar stiger mycket kraftigare i skärningspunkten mellan kolnanorör och kisel, jämfört med skärningspunkten mellan kisel och en metall, som i traditionella fotodiodenheter. "Den där kraftiga höjningen hjälper oss att designa enheter som kan slås på och av med ljus, sa Kar.

Detta fynd har stora konsekvenser för att utföra beräkningar, som, i enkla termer, förlita sig också på en serie på/av-knappar. Men för att komma åt den värdefulla information som kan lagras på dessa switchar, den måste också överföras till och bearbetas av andra växlar. "Folk tror att den bästa datorn skulle vara en där bearbetningen sker med hjälp av elektriska signaler och signalöverföringen görs av optik, sa Kar.

Detta är inte så förvånande eftersom ljuset är extremt snabbt. Kar och Jungs enheter – som är de första att integrera elektroniska och optiska egenskaper på ett enda elektroniskt chip – representerar ett avgörande genombrott för att göra denna drömdator till verklighet.

Beräkningsmodelleringen av dessa korsningar utfördes i nära samarbete med gruppen Young-Kyun Kwon, professor vid Kyung Hee University, i Seoul, Korea.

I den nya tidningen, teamet presenterar tre sådana nya enheter. Den första är en så kallad OCH-grind, som kräver både en elektronisk och en optisk ingång för att generera en utgång. Denna omkopplare utlöses endast om båda elementen är inkopplade.

Den andra enheten, en ELLER-grind, kan generera en utgång om någon av två optiska sensorer är inkopplad. Samma konfiguration kan också användas för att konvertera digitala signaler till analoga, en viktig förmåga för åtgärder som att förvandla det digitala innehållet i en MP3-fil till verklig musik.

Till sist, Kar och Jung byggde också en enhet som fungerar som fronten på en kamerasensor. Den består av 250, 000 miniatyrenheter monterade över en yta av centimeter för centimeter. Även om den här enheten skulle kräva mer integration för att vara fullt genomförbar, det gjorde det möjligt för teamet att testa reproducerbarheten av sin monteringsprocess.

"Jungs metod är en teknik i världsklass, "Kar sa. "Det har verkligen gjort det möjligt för oss att designa många enheter som är mycket mer skalbara."

Medan datorer bearbetar miljarder beräkningssteg varje sekund, förbättra deras förmåga att utföra dessa steg, Kar sa, börjar med "demonstrationen av att förbättra bara en." Vilket är precis vad de har gjort.