211service.com
Sneller optisch schakelen
Computers worden sneller en communicatiesignalen worden sneller, maar de interface tussen hen - waar de elektronen in de computercircuits worden omgezet in fotonen voor de glasvezelkabel - blijft onhandig en traag. Nieuwe transistors die afhankelijk zijn van virtuele deeltjes genaamd excitonen zou dat kunnen veranderen. Een exciton is een toestand van elektrische opwinding die van het ene atoom naar het andere kan gaan, net zoals een elektrische stroom dat doet. Wanneer een exciton energie verliest, zendt het een foton uit, dus excitonen zijn goed in het vertalen tussen elektrische en optische signalen.
Prikkelbare schakeling: Een nieuwe chip, ontworpen door onderzoekers van het systeem van de Universiteit van Californië, zet optische signalen om in stromen van virtuele deeltjes, excitonen genaamd, die reageren op elektrische velden maar gemakkelijk kunnen worden omgezet in fotonen. Hier komen drie stromen van excitonen uit het midden van de chip.
Het probleem in bestaande systemen is de barrière op de verbinding tussen het optische signaal en het elektrische signaal, zegt: Alex Hoog , een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, San Diego (UCSD), die het onderzoek samen met collega's daar en aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara heeft uitgevoerd. Dit snijdt die extra stap weg. Omdat excitonen dragers van licht zijn, kun je ze manipuleren, logische processen op het licht doen in excitonvorm en dat licht vervolgens op een andere plaats vrijgeven.
De onderzoekers hebben kleine, onderkoelde geïntegreerde schakelingen gemaakt van galliumarsenide die excitonsignalen in verschillende richtingen kunnen sturen of twee signalen kunnen samenvoegen tot één taak die nodig is om de beginselen van computerlogica aan te kunnen, net als elektronische circuits. De rekensnelheid op zich is misschien niet veel sneller dan die van een conventionele chip, zegt Leonid Butov , die het onderzoek leidde. Waar we snelheid kunnen winnen, is de transformatie van de fotonen. Butov heeft tot nu toe een schakelsnelheid van 200 picoseconden aangetoond, die zowel rekentijd als de transformatie van de fotonen in excitonen omvat. De snelheid van conventionele conversie en omschakeling varieert met het materiaal, maar het is ongeveer een orde van grootte langzamer dan de schakelaar van Butov. (Er is ook een volledig optische schakelaar op de markt die optische signalen niet hoeft om te zetten in elektrische. Hij heeft een schakelsnelheid van 50 picoseconden, maar kan door zijn grote formaat alleen rudimentaire bewerkingen uitvoeren.) En 200 picoseconden is nog niet eens het definitieve antwoord, zegt Butov. Mogelijk kunnen we het aanzienlijk sneller maken.
Een soepelere optisch-elektronische interface heeft grote gevolgen. Glasvezel is de meest efficiënte manier om grote hoeveelheden gegevens met de snelheid van het licht te vervoeren en wordt gebruikt in een groot aantal toepassingen, van telecommunicatie tot temperatuurmeting tot het eenvoudigweg overbrengen van informatie van de ene computerchip naar de andere. Maar op een gegeven moment moeten optische signalen bijna altijd worden omgezet in elektrische signalen, of het nu is zodat uw desktop-pc ze kan begrijpen of zodat ze tijdens een lange reis kunnen worden versterkt. Niet alleen is die conversie traag, maar de traditionele converters zijn duur, relatief groot en hongerig.
Door excitonen elektrisch aan te sturen, kunnen de Californische onderzoekers de beginselen van een digitale logische poort produceren. Hier zorgt dezelfde chip ervoor dat een stroom van excitonen naar links, naar rechts afslaat of zich gelijktijdig over twee paden vertakt.
De nieuwe geïntegreerde chip neemt echter het licht op zoals het is, werkt erop indien nodig en spuugt het licht aan de andere kant uit. Telkens wanneer een foton de chip raakt, dwingt het een negatief geladen elektron uit een halfgeleideratoom, waardoor een positief geladen gat achterblijft. Zonder tussenkomst recombineren het elektron en het gat eenvoudig. Maar het UCSD-team gebruikt zogenaamde kwantumbronnen om het elektron en het gat gescheiden te houden, maar toch dichtbij genoeg om in een enkele eenheid gebonden te blijven. Dit zorgvuldig gebonden deeltje wordt een indirect exciton genoemd en heeft de vreemde eigenschap dat het zal bewegen wanneer het in een elektrisch veld wordt geplaatst, ook al is het neutraal geladen. Aangestoten door elektrische velden, haasten de excitonen zich door de chip langs een voorgeschreven pad totdat ze opnieuw kunnen combineren. Vervolgens geven ze hun energie af in een lichtflits die het communicatiesignaal naar de volgende bestemming stuurt.
De prototypechips moeten worden gekoeld tot temperaturen onder de -234 ºC. Maar de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze in staat zullen zijn om hun delicate kwantumbronnen opnieuw te creëren in halfgeleidermaterialen die het mogelijk maken om excitonen te vormen bij kamertemperatuur.
De chip zo bouwen dat de elektrische velden de excitonen niet uit elkaar scheurden, was een van de belangrijkste hindernissen voor de wetenschappers. Als dit veld te sterk wordt, kan het het elektron en het gat uit elkaar scheuren. Het ontwerpen van de poorten die excitoncircuits definiëren, vereiste nieuwe ontwerpideeën en uiterste zorg bij de implementatie ervan, zegt Leonid Levitov , een wetenschapper aan het MIT. Ik geloof dat dit een fundamentele prestatie is in de excitonfysica die ook zeer praktische gevolgen kan hebben en tot toepassingen kan leiden.
Butov en zijn collega's zijn het daarmee eens. Hun kleurrijke foto's van hun chips tonen stromen van excitonen die kunnen worden gedwongen om naar links of naar rechts te buigen, die kunnen worden gesplitst om zowel naar links als naar rechts te gaan, of - omgekeerd - die langs twee paden kunnen reizen en combineren in één stroom. Hoewel het team extra trucs wil demonstreren, zoals versterking van een signaal, laten de foto's zien dat hun circuits kunnen worden ontworpen om elke logische bewerking uit te voeren die een traditionele elektronische chip kan doen. En, zeggen de onderzoekers, hun chip zal het beter doen.