211service.com
Hurtigere optisk skift
Computere bliver hurtigere, og kommunikationssignaler bliver hurtigere, men grænsefladen mellem dem - hvor elektronerne i computerkredsløbene omdannes til fotoner for det fiberoptiske kabel - forbliver klodset og langsom. Nye transistorer, der er afhængige af virtuelle partikler kaldet excitoner kunne ændre det. En exciton er en tilstand af elektrisk spænding, der kan passere fra et atom til et andet, ligesom en elektrisk strøm gør. Når en exciton mister energi, udsender den en foton, så excitoner er gode til at omsætte mellem elektriske og optiske signaler.
Spændende kredsløb: En ny chip designet af forskere fra University of California-systemet konverterer optiske signaler til strømme af virtuelle partikler kaldet excitoner, som reagerer på elektriske felter, men som er nemme at konvertere til fotoner. Her udgår tre strømme af excitoner fra midten af chippen.
Problemet i eksisterende systemer er barrieren ved sammenkoblingen mellem det optiske signal og det elektriske signal, siger Alex Høj , en kandidatstuderende ved University of California, San Diego (UCSD), som udførte forskningen sammen med kolleger der og ved University of California, Santa Barbara. Dette fjerner det ekstra trin. Fordi excitoner er bærere af lys, kan du manipulere dem, lave logiske processer på lyset i excitonform og derefter frigive det lys et andet sted.
Forskerne har skabt bittesmå, superkølede integrerede kredsløb lavet af galliumarsenid, der kan sende excitonsignaler i forskellige retninger eller smelte to signaler sammen til én-jobs, der er nødvendige for at håndtere computerlogikkens rudimenter, ligesom elektroniske kredsløb gør. Beregningshastigheden i sig selv er måske ikke meget hurtigere end en konventionel chip, siger Leonid Butov , der ledede forskningen. Der hvor vi kan få fart er i transformationen af fotonerne. Butov har indtil videre demonstreret en omskiftningshastighed på 200 picosekunder, som inkluderer både beregningstid og omdannelsen af fotonerne til excitoner. Hastigheden af konventionel konvertering og omskiftning varierer med materialet, men det er omkring en størrelsesorden langsommere end Butovs switch. (Der er også på markedet en helt optisk switch, der ikke behøver at konvertere optiske signaler til elektriske. Den har en omskiftningshastighed på 50 picosekunder, men på grund af sin store størrelse kan den kun udføre rudimentære operationer.) Og 200 picoseconds er ikke engang det endelige svar endnu, siger Butov. Vi kan muligvis gøre det betydeligt hurtigere.
En glattere optisk-elektronisk grænseflade har brede implikationer. Fiberoptik er den mest effektive måde at transportere store mængder data på med lysets hastighed, og den bruges i et utal af applikationer, fra telekommunikation til temperaturføling til blot at overføre information fra en computerchip til en anden. Men på et tidspunkt skal optiske signaler næsten altid konverteres til elektriske signaler – uanset om det er så din stationære pc kan forstå dem, eller så de kan forstærkes under en lang tur. Ikke alene er denne konvertering langsom, men de traditionelle konvertere er dyre, relativt store og strømkrævende.
Ved at styre excitoner elektrisk kan forskerne i Californien producere rudimenterne af en digital logikport. Her får den samme chip en strøm af excitoner til at dreje til venstre, til højre eller til at forgrene sig ned ad to veje samtidigt.
Den nye integrerede chip tager dog lys ind, som den er, opererer på den efter behov og spytter lys ud på den anden side. Når en foton rammer chippen, tvinger den en negativt ladet elektron ud af et halvlederatom og efterlader et positivt ladet hul. Uden indblanding rekombinerer elektronen og hullet simpelthen. Men UCSD-teamet bruger såkaldte kvantebrønde til at holde elektronen og hullet adskilt, men alligevel tæt nok til at forblive bundet til en enkelt enhed. Denne omhyggeligt bundne partikel kaldes en indirekte exciton, og den har den mærkelige egenskab, at den vil bevæge sig, når den placeres i et elektrisk felt, selvom den er neutralt ladet. Skubbet af elektriske felter suser excitonerne gennem chippen langs en foreskrevet sti, indtil de får lov til at rekombinere. Så frigiver de deres energi i et lysglimt, der sender kommunikationssignalet af sted til dets næste destination.
Prototypechipsene skal afkøles til temperaturer på under -234 ºC. Men forskerne er sikre på, at de vil være i stand til at genskabe deres sarte kvantebrønde i halvledermaterialer, der tillader excitoner at dannes ved stuetemperatur.
At bygge chippen sådan, at de elektriske felter ikke rev excitonerne fra hinanden, var en af de største forhindringer for forskerne. Hvis dette felt bliver for stærkt, kan det rive elektronen og hullet fra hinanden. At designe de porte, der definerer exciton-kredsløb, krævede nye designideer og ekstrem omhu i deres implementering, siger Leonid Levitov , en videnskabsmand ved MIT. Jeg mener, at dette er en grundlæggende præstation inden for excitonfysik, som også kan have meget praktiske konsekvenser og føre til anvendelser.
Butov og hans kolleger er enige. Deres farverige billeder af deres chips viser strømme af excitoner, der kan tvinges til at svinge enten til venstre eller højre, som kan opdeles for at gå ned ad både venstre og højre stier, eller – omvendt – som kan bevæge sig ind ad to stier og kombinere i én strøm. Mens holdet gerne vil demonstrere yderligere tricks, såsom forstærkning af et signal, viser billederne, at deres kredsløb kan designes til at udføre enhver logisk operation, som en traditionel elektronisk chip kan udføre. Og, siger forskerne, deres chip vil gøre det bedre.