211service.com
Snabbare optisk växling
Datorer blir snabbare och kommunikationssignaler blir snabbare, men gränssnittet mellan dem – där elektronerna i datorkretsarna omvandlas till fotoner för den fiberoptiska kabeln – förblir klumpig och långsam. Nya transistorer som förlitar sig på virtuella partiklar kallas excitoner skulle kunna ändra på det. En exciton är ett tillstånd av elektrisk spänning som kan passera från en atom till en annan, ungefär som en elektrisk ström gör. När en exciton förlorar energi, avger den en foton, så excitoner är bra på att översätta mellan elektriska och optiska signaler.
Exciterbar krets: Ett nytt chip designat av forskare vid University of California-systemet omvandlar optiska signaler till strömmar av virtuella partiklar som kallas excitoner, som reagerar på elektriska fält men är lätta att omvandla till fotoner. Här kommer tre strömmar av excitoner från mitten av chipet.
Problemet i befintliga system är barriären vid sammankopplingen mellan den optiska signalen och den elektriska signalen, säger man Alex Hög , en doktorand vid University of California, San Diego (UCSD), som genomförde forskningen tillsammans med kollegor där och vid University of California, Santa Barbara. Detta tar bort det extra steget. Eftersom excitoner är bärare av ljus kan du manipulera dem, göra logiska processer på ljuset i excitonform och sedan släppa det ljuset på en annan plats.
Forskarna har skapat små, underkylda integrerade kretsar gjorda av galliumarsenid som kan skicka excitonsignaler i olika riktningar eller slå samman två signaler till ett jobb som krävs för att hantera datorlogikens rudiment precis som elektroniska kretsar gör. Beräkningshastigheten i sig kanske inte är mycket snabbare än ett konventionellt chip, säger Leonid Butov , som ledde forskningen. Där vi kan få fart är i omvandlingen av fotonerna. Butov har hittills visat en växlingshastighet på 200 pikosekunder, vilket inkluderar både beräkningstid och omvandlingen av fotonerna till excitoner. Hastigheten för konventionell omvandling och omkoppling varierar med materialet, men det är ungefär en storleksordning långsammare än Butovs switch. (På marknaden finns också en helt optisk switch som inte behöver omvandla optiska signaler till elektriska. Den har en omkopplingshastighet på 50 pikosekunder, men på grund av sin stora storlek kan den endast utföra rudimentära operationer.) Och 200 picoseconds är inte ens det slutgiltiga svaret än, säger Butov. Vi kanske kan göra det betydligt snabbare.
Ett smidigare optiskt-elektroniskt gränssnitt har breda konsekvenser. Fiberoptik är det mest effektiva sättet att transportera stora mängder data med ljusets hastighet, och den används i en mängd applikationer, från telekommunikation till temperaturavkänning till att helt enkelt transportera information från ett datorchip till ett annat. Men någon gång måste optiska signaler nästan alltid omvandlas till elektriska signaler – oavsett om det är så att din stationära PC kan förstå dem eller så att de kan förstärkas under en lång resa. Den omvandlingen är inte bara långsam, utan de traditionella omvandlarna är dyra, relativt stora och energikrävande.
Genom att elektriskt styra excitoner kan forskarna i Kalifornien producera grunderna för en digital logisk grind. Här får samma chip en ström av excitoner att svänga åt vänster, att svänga höger eller att förgrena sig längs två vägar samtidigt.
Det nya integrerade chippet tar dock in ljus som det är, arbetar på det vid behov och spottar ljus ut på andra sidan. Närhelst en foton träffar chippet tvingar den ut en negativt laddad elektron ur en halvledaratom och lämnar efter sig ett positivt laddat hål. Utan ingrepp rekombinerar elektronen och hålet helt enkelt. Men UCSD-teamet använder så kallade kvantbrunnar för att hålla elektronen och hålet åtskilda men ändå nära nog att förbli bundna till en enda enhet. Denna noggrant bundna partikel kallas en indirekt exciton, och den har den udda egenskapen att den kommer att röra sig när den placeras i ett elektriskt fält trots att den är neutralt laddad. Knuffade av elektriska fält skyndar excitonerna genom chipet längs en föreskriven bana tills de tillåts att rekombinera. Sedan släpper de sin energi i en ljusblixt som skickar kommunikationssignalen till nästa destination.
Prototypchipsen måste kylas till temperaturer under -234 ºC. Men forskarna är övertygade om att de kommer att kunna återskapa sina känsliga kvantbrunnar i halvledarmaterial som gör att excitoner kan bildas vid rumstemperatur.
Att bygga chippet så att de elektriska fälten inte sliter isär excitonerna var ett av de största hindren för forskarna. Om detta fält blir för starkt kan det riva isär elektronen och hålet. Att designa grindarna som definierar excitonkretsar krävde nya designidéer och extrem omsorg i implementeringen, säger Leonid Levitov , en forskare vid MIT. Jag tror att detta är en grundläggande prestation inom excitonfysik som också kan få mycket praktiska konsekvenser och leda till tillämpningar.
Butov och hans kollegor håller med. Deras färgglada bilder av deras marker visar strömmar av excitoner som kan tvingas svänga antingen till vänster eller höger, som kan delas för att gå ner för både vänster och höger vägar, eller – omvänt – som kan färdas in längs två banor och kombinera i en ström. Medan teamet skulle vilja demonstrera ytterligare knep, såsom förstärkning av en signal, visar bilderna att deras kretsar kan designas för att utföra alla logiska operationer som ett traditionellt elektroniskt chip kan göra. Och, säger forskarna, deras chip kommer att göra det bättre.