Synkronoidut laserpulssit (punainen ja sininen) synnyttävät todellisten ja virtuaalisten varauksenkuljettajien purskeen grafeeniin, jotka kultametalli absorboivat nettovirran tuottamiseksi. "Selvisimme virtuaalisten ja todellisten varauksenkuljettajien roolia laserin indusoimissa virroissa, ja se avasi tien ultranopeiden logiikkaporttien luomiselle", sanoo Rochesterin yliopiston kemian ja fysiikan apulaisprofessori Ignacio Franco. Luotto: Rochesterin yliopiston kuvitus / Michael Osadciw
Tutkijat ovat ottaneet ratkaisevan askeleen ultranopeiden tietokoneiden luomisessa.
Tieteen ja teknologian pitkäaikainen pyrkimys on ollut luoda elektroniikkaa ja tietojenkäsittelyä, jotka toimivat lähellä luonnonlakien sallimia nopeimpia aikatauluja.
Lupaava lähestymistapa tämän tavoitteen saavuttamiseksi on laservalon käyttäminen elektronien liikkeen ohjaamiseen aineessa ja tämän ohjauksen käyttäminen elektronisten piirielementtien kehittämiseen – tämä käsite tunnetaan valoaaltoelektroniikkana.
Hienoa on, että laserit mahdollistavat tällä hetkellä sähköpurskeiden tuottamisen femtosekunnin aikaskaalalla – toisin sanoen sekunnin miljoonasosassa. Silti kykymme käsitellä tietoa niin ultranopealla aikataululla on jäänyt vaikeaksi.
"Tiedämme nyt, että lightwave-elektroniikka on käytännössä mahdollista." —
Nyt Rochesterin yliopiston ja Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergin (FAU) tutkijat ovat ottaneet ratkaisevan askeleen tähän suuntaan osoittamalla logiikkaportin, laskennan ja tietojenkäsittelyn rakennuspalikka, joka toimii femtosekuntia. Toukokuun 11. päivänä Nature-lehdessä raportoitu saavutus saatiin aikaan valjastamalla ja ohjaamalla itsenäisesti ensimmäistä kertaa todellisia ja virtuaalisia varauksenkuljettajia, jotka muodostavat nämä ultranopeat sähköpurkaukset.
Tutkijoiden edistysaskel on avannut oven tietojenkäsittelyyn petahertsirajalla, jossa voidaan käsitellä kvadriljoona laskennallista operaatiota sekunnissa. Se on lähes miljoona kertaa nopeampi kuin nykypäivän tietokoneet, jotka toimivat gigahertsin kellotaajuudella, missä 1 petahertsi on miljoona gigahertsiä.
"Tämä on loistava esimerkki siitä, kuinka perustiede voi johtaa uusiin teknologioihin", sanoo Rochesterin kemian ja fysiikan apulaisprofessori Ignacio Franco, joka yhteistyössä tohtoriopiskelija Antonio José Garzón-Ramírez '21 (PhD) kanssa , suoritti teoreettiset tutkimukset, jotka johtivat tähän löytöyn.
Laserit tuottavat erittäin nopeita sähköpurskeita
Viime vuosina tiedemiehet ovat oppineet hyödyntämään muutaman femtosekuntia kestäviä laserpulsseja erittäin nopeiden sähkövirtapurskeiden tuottamiseksi. Tämä tehdään esimerkiksi valaisemalla pieniä grafeenipohjaisia johtoja, jotka yhdistävät kaksi kultametallia. Ultralyhyt laserpulssi saa aikaan liikkeen eli "kiihottaa" grafeenissa olevat elektronit ja mikä tärkeintä, lähettää ne tiettyyn suuntaan – muodostaen näin nettosähkövirran.
Laserpulssit voivat tuottaa sähköä paljon nopeammin kuin mikään perinteinen menetelmä – ja tekevät niin ilman jännitettä. Lisäksi virran suuntaa ja suuruutta voidaan ohjata yksinkertaisesti muuttamalla laserpulssin muotoa (eli muuttamalla sen vaihetta).
Läpimurto: todellisten ja virtuaalisten varauksenkuljettajien hyödyntäminen
Francon ja FAU:n Peter Hommelhoffin tutkimusryhmät ovat työskennelleet useiden vuosien ajan muuttaakseen valoaallot ultranopeiksi virtapulsseiksi.
Yrittäessään sovittaa yhteen Erlangenin kokeelliset mittaukset Rochesterin laskennallisten simulaatioiden kanssa, tiimi sai oivalluksen: kulta-grafeeni-kulta-risteyksissä on mahdollista luoda kaksi makua - "todellista" ja "virtuaalista" hiukkasia, jotka kantavat varauksia, jotka muodostavat nämä sähköpurkaukset.
Koska grafeeni on yhdistetty kultaan, metalli absorboi sekä todellisia että virtuaalisia varauksenkuljettajia nettovirran tuottamiseksi.
Tiimi havaitsi hämmästyttävän, että muuttamalla laserpulssin muotoa ne pystyivät synnyttämään virtoja, joissa vain todelliset tai virtuaaliset varauksenkantajat ovat osallisia. Toisin sanoen, he eivät vain tuottaneet kahta virtojen makua, vaan he myös oppivat hallitsemaan niitä itsenäisesti, mikä havainto lisää huomattavasti valoaaltoelektroniikan suunnittelun elementtejä.
Loogiset portit lasereiden kautta
Tämän laajennetun ohjausmaiseman avulla tiimi pystyi ensimmäistä kertaa kokeellisesti esittelemään logiikkaportteja, jotka toimivat femtosekunnin aikaskaalalla.
Loogiset portit ovat laskennassa tarvittavia perusrakennuspalikoita. Ne ohjaavat, kuinka saapuvat tiedot, jotka ovat muodossa 0 tai 1 (tunnetaan bitteinä), käsitellään. Logiikkaportit vaativat kaksi tulosignaalia ja tuottavat loogisen ulostulon.
Tutkijoiden kokeessa tulosignaalit ovat kahden synkronoidun laserpulssin muotoa tai vaihetta, joista kukin on valittu tuottamaan vain todellisten tai virtuaalisten varauksenkuljettajien purske. Käytetyistä laservaiheista riippuen nämä kaksi virtojen vaikutusta voivat joko summautua tai kumota. Sähköiselle nettosignaalille voidaan antaa looginen informaatio 0 tai 1, jolloin saadaan ultranopea logiikkaportti.
"Todennäköisesti kestää hyvin kauan ennen kuin tätä tekniikkaa voidaan käyttää tietokonepiirissä, mutta ainakin nyt tiedämme, että valoaaltoelektroniikka on käytännössä mahdollista", sanoo Tobias Boolakee, joka johti kokeellisia toimia tohtoriopiskelijana. FAU:ssa.
"Tuloksemme tasoittavat tietä ultranopealle elektroniikalle ja tiedonkäsittelylle", sanoo Garzón-Ramírez '21 (PhD), nyt tutkijatohtori McGill Universityssä.
"Tässä logiikkaportissa on hämmästyttävää", Franco sanoo, "että toiminnot eivät suoriteta gigahertsejä, kuten tavallisissa tietokoneissa, vaan petahertsejä, jotka ovat miljoona kertaa nopeampia. Tämä johtuu käytetyistä todella lyhyistä laserpulsseista, jotka tapahtuvat sekunnin miljoonasosassa."
Perusasioista sovelluksiin
Tämä uusi, potentiaalisesti muuttuva teknologia syntyi perustutkimuksista, joissa selvitettiin, kuinka varaus voidaan ohjata nanomittakaavan järjestelmissä lasereilla.
"Perusteorian ja sen yhteyden kokeisiin avulla selvensimme virtuaalisten ja todellisten varauksenkuljettajien roolia laserin indusoimissa virroissa, ja se avasi tien ultranopeiden logiikkaporttien luomiselle", Franco sanoo.
Tutkimus edustaa Francon yli 15 vuoden tutkimusta. Vuonna 2007 Toronton yliopiston tohtoriopiskelijana hän kehitti menetelmän ultranopeiden sähkövirtojen tuottamiseksi molekyylilangoissa, jotka altistettiin femtosekundisille laserpulsseille. Tämä alkuperäinen ehdotus toteutettiin myöhemmin kokeellisesti vuonna 2013, ja Franco-ryhmä selitti kokeiden taustalla olevan yksityiskohtaisen mekanismin vuoden 2018 tutkimuksessa. Siitä lähtien tällä alueella on tapahtunut mitä Franco kutsuu "räjähdysmäiseksi" kokeelliseksi ja teoreettiseksi kasvuksi.
"Tämä on alue, jolla teoria ja kokeet haastavat toisiaan ja paljastavat siten uusia perustavanlaatuisia löytöjä ja lupaavia teknologioita", hän sanoo.
Lisätietoja tästä tutkimuksesta on artikkelissa Laserpulssit ultranopeaan signaalinkäsittelyyn voivat tehdä tietokoneista miljoona kertaa nopeampia.
Viite: Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco ja Peter Hommelhoff "Reaalien ja virtuaalisten varauksenkuljettajien valokenttäohjaus", 11. toukokuuta 2022, Luonto em>.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9
Franco Labia tuetaan National Science Foundationin Chemical Theory and Computations -ohjelman ja Rochesterin yliopiston Leonard Mandelin tiedekunnan apurahan palkinnoilla.
