Синхронизираните лазерни импулси (червени и сини) генерират изблик от реални и виртуални носители на заряд в графена, които се абсорбират от златния метал, за да произведат нетен ток. „Ние изяснихме ролята на виртуалните и реалните носители на заряд в лазерно индуцираните токове и това отвори пътя към създаването на ултрабързи логически порти“, казва Игнасио Франко, доцент по химия и физика в университета в Рочестър. С кредит: Илюстрация на Университета на Рочестър / Майкъл Осадчиу
Изследователите направиха решителна стъпка към създаването на свръхбързи компютри.
Дългогодишен стремеж на науката и технологиите е да се създаде електроника и обработка на информация, които работят близо до най-бързите срокове, позволени от законите на природата.
Обещаващ подход за постигане на тази цел включва използването на лазерна светлина за насочване на движението на електроните в материята и след това използването на този контрол за разработване на елементи на електронни вериги – концепция, известна като електроника на светлинни вълни.
Забележително е, че понастоящем лазерите ни позволяват да генерираме изблици на електричество във времеви мащаби от фемтосекунди – тоест за една милионна от една милиардна от секундата. И все пак способността ни да обработваме информация в такива свръхбързи времеви мащаби остава неуловима.
„Сега знаем, че електрониката със светлинни вълни е практически възможна.“ —
Сега изследователи от университета в Рочестър и Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) направиха решителна стъпка в тази посока, като демонстрираха логическа врата – градивният елемент на изчисленията и обработката на информация – която работи на фемтосекундни времеви мащаби. Постижението, съобщено на 11 май в списанието Nature, е постигнато чрез овладяване и независимо контролиране, за първи път, на реалните и виртуалните носители на заряд, които съставят тези свръхбързи изблици на електричество.
Напредъкът на изследователите отвори вратата за обработка на информация на границата на петахерца, където могат да се обработват един квадрилион изчислителни операции в секунда. Това е почти милион пъти по-бързо от днешните компютри, работещи с тактова честота на гигахерц, където 1 петахерц е 1 милион гигахерца.
„Това е чудесен пример за това как фундаменталната наука може да доведе до нови технологии“, казва Игнасио Франко, доцент по химия и физика в Рочестър, който в сътрудничество с докторанта Антонио Хосе Гарсон-Рамирес '21 (доктор) , извърши теоретичните изследвания, довели до това откритие.
Лазерите генерират свръхбързи изблици на електричество
През последните години учените се научиха как да използват лазерни импулси, които продължават няколко фемтосекунди, за да генерират ултрабързи изблици на електрически ток. Това се прави например чрез осветяване на малки жици на основата на графен, свързващи два златни метала. Свръхкъсият лазерен импулс задвижва или „възбужда“ електроните в графена и, което е важно, ги изпраща в определена посока, като по този начин генерира нетен електрически ток.
Лазерните импулси могат да произвеждат електричество много по-бързо от който и да е традиционен метод – и то при липса на приложено напрежение. Освен това посоката и големината на тока могат да се контролират просто чрез промяна на формата на лазерния импулс (т.е. чрез промяна на неговата фаза).
Пробивът: Използване на реални и виртуални носители на заряд
Изследователските групи на Франко и Питър Хомелхоф от FAU работят от няколко години, за да превърнат светлинните вълни в ултрабързи токови импулси.
Опитвайки се да съчетае експерименталните измервания в Ерланген с изчислителните симулации в Рочестър, екипът разбра: във връзките злато-графен-злато е възможно да се генерират два вкуса – „истински“ и „виртуален“ – на частици, носещи зарядите, които съставят тези изблици на електричество.
Тъй като графенът е свързан със златото, както реалните, така и виртуалните носители на заряд се абсорбират от метала, за да се получи нетен ток.
Поразително е, че екипът откри, че чрез промяна на формата на лазерния импулс те могат да генерират токове, където само реалните или виртуалните носители на заряд играят роля. С други думи, те не само генерираха два вкуса на токове, но също така се научиха как да ги контролират независимо, откритие, което драстично увеличава елементите на дизайна в светлинната електроника.
Логически портове чрез лазери
Използвайки тази разширена контролна среда, екипът успя да демонстрира експериментално, за първи път, логически портали, които работят на фемтосекундна времева скала.
Логическите портове са основните градивни елементи, необходими за изчисленията. Те контролират как се обработва входящата информация, която е под формата на 0 или 1 (известни като битове). Логическите порти изискват два входни сигнала и дават логически изход.
В експеримента на изследователите входните сигнали са формата или фазата на два синхронизирани лазерни импулса, всеки избран да генерира само изблик от реални или виртуални носители на заряд. В зависимост от използваните лазерни фази, тези два приноса към токовете могат или да се сумират, или да отменят. На нетния електрически сигнал може да бъде присвоена логическа информация 0 или 1, което води до ултрабърз логически порт.
„Вероятно ще мине много време, преди тази техника да може да се използва в компютърен чип, но поне вече знаем, че електрониката със светлинни вълни е практически възможна“, казва Тобиас Булаки, който ръководи експерименталните усилия като докторант във FAU.
„Нашите резултати проправят пътя към ултрабързата електроника и обработка на информация“, казва Гарсон-Рамирез ’21 (доктор), сега постдокторантски изследовател в университета Макгил.
„Това, което е удивително в тази логическа врата“, казва Франко, „е, че операциите се извършват не в гигахерци, както при обикновените компютри, а в петахерци, които са един милион пъти по-бързи. Това се дължи на използваните наистина къси лазерни импулси, които се появяват за една милионна от една милиардна от секундата.
От основи към приложения
Тази нова, потенциално преобразуваща технология възникна от фундаментални проучвания за това как може да се задвижва заряд в наномащабни системи с лазери.
„Чрез фундаменталната теория и нейната връзка с експериментите, ние изяснихме ролята на виртуалните и реалните носители на заряд в лазерно индуцираните токове и това отвори пътя към създаването на свръхбързи логически портове“, казва Франко.
Проучването представлява повече от 15 години изследвания на Франко. През 2007 г., като докторант в Университета на Торонто, той разработи метод за генериране на свръхбързи електрически токове в молекулярни проводници, изложени на фемтосекундни лазерни импулси. Това първоначално предложение по-късно беше приложено експериментално през 2013 г. и подробният механизъм зад експериментите беше обяснен от групата на Франко в проучване от 2018 г. Оттогава има това, което Франко нарича „експлозивен“ експериментален и теоретичен растеж в тази област.
„Това е област, в която теорията и експериментите се предизвикват взаимно и по този начин разкриват нови фундаментални открития и обещаващи технологии“, казва той.
За повече информация относно това изследване вижте Лазерните импулси за ултрабърза обработка на сигнали могат да направят компютрите 1 милион пъти по-бързи.
Справка: „Управление на светлинно поле на реални и виртуални носители на заряд“ от Тобиас Булаки, Кристиан Хайде, Антонио Гарсон-Рамирес, Хайко Б. Вебер, Игнасио Франко и Питър Хомелхоф, 11 май 2022 г., Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9
Лабораторията на Франко се подкрепя чрез награди от програмата за химическа теория и изчисления на Националната научна фондация и стипендията на факултета Леонард Мандел в университета в Рочестър.
