Synchronizované laserové pulsy (červené a modré) generují výbuch skutečných a virtuálních nosičů náboje v grafenu, které jsou absorbovány zlatým kovem a vytvářejí čistý proud. „Objasnili jsme roli virtuálních a skutečných nosičů náboje v laserem indukovaných proudech, a to otevřelo cestu k vytvoření ultrarychlých logických hradel,“ říká Ignacio Franco, docent chemie a fyziky na University of Rochester. Kredit: University of Rochester ilustrace / Michael Osadciw
Výzkumníci udělali rozhodující krok směrem k vytvoření ultrarychlých počítačů.
Dlouholetým úsilím o vědu a technologii bylo vytvořit elektroniku a zpracování informací, které by fungovaly v nejrychlejším časovém horizontu povoleném přírodními zákony.
Slibný přístup k dosažení tohoto cíle zahrnuje použití laserového světla k vedení pohybu elektronů v hmotě a následné použití tohoto řízení k vývoji prvků elektronických obvodů – koncept známý jako elektronika světelných vln.
Je pozoruhodné, že lasery nám v současné době umožňují generovat výboje elektřiny ve femtosekundových časových osách – to znamená v miliontině miliardtiny sekundy. Naše schopnost zpracovávat informace v tak ultrarychlých časových intervalech však zůstala nepolapitelná.
"Nyní víme, že světelná elektronika je prakticky možná." —
Nyní učinili vědci z University of Rochester a Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) rozhodující krok v tomto směru tím, že předvedli logické hradlo – stavební kámen pro výpočty a zpracování informací – které funguje na femtosekundové časové osy. Čin, o kterém se píše 11. května v časopise Nature, se podařilo poprvé využít a nezávisle ovládat skutečné a virtuální nosiče náboje, které tvoří tyto ultrarychlé výboje elektřiny.
Pokroky výzkumníků otevřely dveře ke zpracování informací na petahertzovém limitu, kdy lze zpracovat jednu kvadrilion výpočetních operací za sekundu. To je téměř milionkrát rychlejší než dnešní počítače pracující s taktovací frekvencí gigahertzů, kde 1 petahertz je 1 milion gigahertzů.
„Toto je skvělý příklad toho, jak základní věda může vést k novým technologiím,“ říká Ignacio Franco, docent chemie a fyziky v Rochesteru, který ve spolupráci s doktorandem Antoniem José Garzón-Ramírezem '21 (PhD) provedl teoretické studie, které vedou k tomuto objevu.
Lasery generují ultrarychlé výboje elektřiny
V posledních letech se vědci naučili, jak využít laserové pulzy, které trvají několik femtosekund, k vytvoření ultrarychlých výbojů elektrických proudů. To se děje například osvětlením drobných drátků na bázi grafenu spojujících dva zlaté kovy. Ultrakrátký laserový puls uvede do pohybu nebo „vzruší“ elektrony v grafenu, a co je důležité, pošle je určitým směrem – čímž se generuje čistý elektrický proud.
Laserové pulsy dokážou vyrábět elektřinu mnohem rychleji než jakákoli tradiční metoda – a to v nepřítomnosti použitého napětí. Dále lze směr a velikost proudu řídit jednoduše změnou tvaru laserového pulsu (to znamená změnou jeho fáze).
Průlom: Využití skutečných a virtuálních nosičů náboje
Výzkumné skupiny Franca a Petera Hommelhoffa z FAU již několik let pracují na přeměně světelných vln na ultrarychlé proudové pulzy.
Ve snaze sladit experimentální měření v Erlangenu s výpočtovými simulacemi v Rochesteru si tým uvědomil: Ve spojení zlato-grafen-zlato je možné generovat dvě varianty – „skutečné“ a „virtuální“ – částice nesoucí náboje, které tvoří tyto výboje elektřiny.
Protože je grafen spojen se zlatem, skutečné i virtuální nosiče náboje jsou absorbovány kovem a vytvářejí čistý proud.
Překvapivě tým zjistil, že změnou tvaru laserového pulsu mohou generovat proudy, kde hrají roli pouze skutečné nebo virtuální nosiče náboje. Jinými slovy, nejenže vytvořili dvě varianty proudů, ale také se naučili, jak je ovládat nezávisle, což je zjištění, které drasticky rozšiřuje prvky designu v elektronice se světelnými vlnami.
Logická hradla prostřednictvím laserů
Pomocí tohoto rozšířeného řídicího prostředí byl tým poprvé schopen experimentálně demonstrovat logická hradla, která fungují na femtosekundovém časovém měřítku.
Logická hradla jsou základní stavební kameny potřebné pro výpočty. Řídí, jak se zpracovávají příchozí informace, které mají tvar 0 nebo 1 (známé jako bity). Logická hradla vyžadují dva vstupní signály a poskytují logický výstup.
V experimentu výzkumníků mají vstupní signály tvar nebo fázi dvou synchronizovaných laserových pulzů, z nichž každý je vybrán tak, aby generoval pouze výbuch skutečných nebo virtuálních nosičů náboje. V závislosti na použitých fázích laseru se tyto dva příspěvky k proudům mohou sčítat nebo rušit. Síťovému elektrickému signálu lze přiřadit logickou informaci 0 nebo 1, což poskytuje ultrarychlé logické hradlo.
„Pravděpodobně bude trvat velmi dlouho, než bude možné tuto techniku použít v počítačovém čipu, ale alespoň nyní víme, že elektronika světelných vln je prakticky možná,“ říká Tobias Boolakee, který vedl experimentální úsilí jako doktorand. ve společnosti FAU.
„Naše výsledky dláždí cestu k ultrarychlé elektronice a zpracování informací,“ říká Garzón-Ramírez ’21 (PhD), nyní postdoktorandský výzkumník na McGill University.
„Na této logické bráně je úžasné,“ říká Franco, „že operace se neprovádějí v gigahertzech, jako na běžných počítačích, ale v petahertzech, které jsou milionkrát rychlejší. Je to kvůli skutečně krátkým laserovým pulzům, které se vyskytují v miliontině miliardtiny sekundy.“
Od základů k aplikacím
Tato nová, potenciálně transformativní technologie vzešla ze základních studií, jak lze pomocí laserů řídit náboj v nanosystémech.
„Prostřednictvím základní teorie a jejího spojení s experimenty jsme objasnili roli virtuálních a skutečných nosičů náboje v laserem indukovaných proudech, což otevřelo cestu k vytvoření ultrarychlých logických hradel,“ říká Franco.
Studie představuje více než 15 let výzkumu Franca. V roce 2007 jako doktorand na University of Toronto vymyslel metodu generování ultrarychlých elektrických proudů v molekulárních drátech vystavených pulzům femtosekundového laseru. Tento původní návrh byl později experimentálně implementován v roce 2013 a podrobný mechanismus za experimenty vysvětlil skupina Franco ve studii z roku 2018. Od té doby došlo v této oblasti k tomu, co Franco nazývá „výbušným“ experimentálním a teoretickým růstem.
„Toto je oblast, kde se teorie a experimenty navzájem zpochybňují, a přitom odhalují nové zásadní objevy a slibné technologie,“ říká.
Další informace o tomto výzkumu naleznete v článku Laserové pulsy pro ultrarychlé zpracování signálu by mohly počítače 1 milionkrát zrychlit.
Reference: „Ovládání skutečných a virtuálních nosičů náboje světelným polem“ od Tobiase Boolakee, Christiana Heideho, Antonia Garzón-Ramíreze, Heika B. Webera, Ignacia Franca a Petera Hommelhoffa, 11. května 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9
Laboratoř Franco je podporována prostřednictvím ocenění z programu Chemical Theory and Computations National Science Foundation a stipendia Leonarda Mandela na University of Rochester.
