Mga Optical Transistors - Ang Hinaharap ng Elektronika

Halos lahat ng mga teknolohiya, bagaman may posibilidad na umunlad, kalaunan ay hindi na lipas. Ang pattern na ito ay hindi lumipas sa mga electronics ng silikon. Madaling mapansin na sa mga nakaraang taon ang pag-unlad nito ay bumagal nang malaki at sa pangkalahatan ay nagbago ang direksyon ng pag-unlad nito.

Ang bilang ng mga transistor sa mga microchip ay hindi na nagdodoble tuwing dalawang taon, tulad ng dati. At ngayon, ang pagganap ng computer ay tumataas hindi sa pamamagitan ng pagtaas ng kanilang dalas ng operating, ngunit sa pamamagitan ng pagdaragdag ng bilang ng mga cores sa processor, iyon ay, sa pamamagitan ng pagpapalawak ng mga kakayahan para sa mga kahanay na operasyon.

Walang lihim na ang anumang modernong computer ay itinayo mula sa bilyun-bilyong maliit transistorna kumakatawan sa mga aparato ng semiconductor na nagsasagawa ng electric current kapag inilalapat ang isang control signal.

Ngunit ang mas maliit na transistor ay, ang mas binibigkas ay ang mga mapusok na epekto at tagas na nakagambala sa normal na operasyon nito at bumubuo ng isang balakid sa paglikha ng kahit na mas siksik at mas mabilis na mga aparato.

Ang mga salik na ito ay natutukoy ang pangunahing limitasyon sa miniaturization ng laki ng transistor, kaya ang isang transistor ng silikon, sa prinsipyo, ay hindi maaaring magkaroon ng kapal ng higit sa limang nanometer.

Ang pisikal na kadahilanan ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga elektron na lumilipat sa isang semiconductor ay nag-aaksaya ng kanilang enerhiya dahil lamang sa mga sisingilin na partikulo na ito ay may masa. At ang mas mataas na dalas ng aparato ay ginawa, mas malaki ang pagkawala ng enerhiya sa loob nito.

Sa pagbaba ng laki ng elemento, kahit na ang pagkalugi ng enerhiya sa anyo ng init ay maaaring mabawasan, ang impluwensya ng istraktura ng atomic ay hindi mapigilan. Sa pagsasagawa, ang istraktura ng atomic mismo ay nagsisimula upang maging isang balakid, dahil ang laki ng elemento na nakamit sa ngayon ng 10 nanometer ay maihahambing sa pagkakasunud-sunod ng magnitude na may isang daang atomo ng silikon.

Ang mga elektron ay nagpapalit ng mga photon

Ngunit paano kung susubukan mong gamitin hindi kasalukuyan, ngunit ilaw? Pagkatapos ng lahat, ang mga photon, hindi katulad ng mga electron, ay walang singil o magpahinga ng masa, at sa parehong oras sila ang pinakamabilis na mga partikulo. Bukod dito, ang kanilang mga daloy sa iba't ibang mga haba ng haba ay hindi makagambala sa bawat isa sa magkakasabay na operasyon.

Kaya, sa paglipat sa mga teknolohiyang optical sa larangan ng pangangasiwa ng impormasyon, ang isang tao ay maaaring makakuha ng maraming mga pakinabang sa semiconductors (na may mabibigat na sisingilin na mga partido na lumilipas sa kanila).

Ang impormasyong ipinadala sa pamamagitan ng isang light beam ay maaaring maiproseso nang direkta sa proseso ng paghahatid nito, at ang mga paggasta ng enerhiya ay hindi magiging malaking bilang kapag ipinadala ng isang gumagalaw na singil ng kuryente. At ang pagkakatulad na mga kalkulasyon ay magiging posible sa pamamagitan ng inilapat na mga alon ng iba't ibang haba, at para sa optical system, walang pagkagambala sa electromagnetic na panimula ay walang takot.

Ang halatang pakinabang ng optical konsepto sa electric ay matagal nang nakakaakit ng atensyon ng mga siyentipiko. Ngunit ngayon, ang mga optika sa pag-compute ay nananatiling higit sa lahat hybrid, iyon ay, pagsasama-sama ng mga elektronik at optical na pamamaraan.

Sa pamamagitan ng paraan Ang unang computer na prototype optoelectronic ay nilikha noong 1990 ni Bell Labs, at noong 2003, inihayag ni Lenslet ang unang komersyal na optical processor na EnLight256, na may kakayahang magsagawa ng hanggang sa 8,000,000,000 na operasyon sa 8-bit integers bawat segundo (8 teraop). Ngunit sa kabila ng mga hakbang na ginawa sa direksyon na ito, ang mga katanungan ay nananatili pa rin sa larangan ng optical electronics.

Ang isa sa mga katanungang ito ay ang mga sumusunod. Ang lohikal na circuit ay nagpapahiwatig ng sagot na "1" o "0" depende sa kung nangyari ang dalawang kaganapan - B at A.Ngunit ang mga photon ay hindi napansin ang bawat isa, at ang tugon ng circuit ay dapat nakasalalay sa dalawang light beam.

Ang lohikal na transistor, na nagpapatakbo sa mga alon, ay madali ito. At maraming mga magkatulad na katanungan. Samakatuwid, wala pa ring komersyal na kaakit-akit na aparato na batay sa optical na lohika, kahit na mayroong ilang mga pag-unlad. Kaya, noong 2015, ang mga siyentipiko mula sa laboratoryo ng nanophotonics at metamaterial ng ITMO University ay nagpakita sa isang eksperimento ang posibilidad ng pagmamanupaktura panghuli optical transistorna binubuo lamang ng isang silikon na nanoparticle.

Hanggang ngayon, ang mga inhinyero at siyentipiko ng maraming mga institusyon ay nagtatrabaho sa problema ng pagpapalit ng silikon sa mga kahalili: sinusubukan nila graphene, ang molybdenum disulfide, ay nag-iisip tungkol sa paggamit ng mga butil na spins at siyempre - tungkol sa ilaw, bilang panimula ng bagong paraan ng paghahatid at pag-iimbak ng impormasyon.

Ang light analog ng transistor ay ang pinakamahalagang konsepto, na binubuo sa katotohanan na kailangan mo ng isang aparato na maaaring pumasa o hindi makapasa ng mga photon. Bilang karagdagan, ang isang splitter ay kanais-nais, na maaaring masira ang sinag sa mga bahagi at alisin ang ilang mga ilaw na sangkap mula dito.

Ang mga prototyp ay mayroon na, ngunit mayroon silang isang problema - ang kanilang mga sukat ay napakalaking, mas katulad sila ng mga transistor mula sa kalagitnaan ng huling siglo, nang nagsisimula pa lamang ang edad ng computer. Ang pagbabawas ng laki ng naturang mga transistor at splitters ay hindi isang madaling gawain.

Ang batayang balakid ay pagtagumpayan

At samantala Noong unang bahagi ng 2019, ang mga siyentipiko mula sa laboratoryo ng hybrid na photonics ng Skolteha, kasama ang mga kasamahan mula sa IBM, ay pinamamahalaang bumuo ng unang optical transistor na may kakayahang gumana sa dalas ng 2 THz at sa parehong oras na hindi nangangailangan ng anumang paglamig sa ganap na zero.

Ang resulta ay nakuha gamit ang pinaka kumplikadong optical system, na nilikha ng matagal na gawa ng pintura ng koponan. At ngayon masasabi natin na ang mga photonic processors na nagsasagawa ng mga operasyon sa bilis ng ilaw ay, sa prinsipyo, tunay, tulad ng tunay na komunikasyon ng hibla.

Ang unang hakbang ay nakuha! Ang isang miniature optical transistor na hindi nangangailangan ng paglamig at magagawang gumana ng libu-libong beses nang mas mabilis kaysa sa elektronikong semiconductor na ninuno na nilikha.

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang isa sa mga pangunahing problema sa paglikha ng mga elemento para sa mga light computer ay ang mga photon ay hindi nakikipag-ugnay sa bawat isa, at napakahirap kontrolin ang paggalaw ng mga light particle. Gayunpaman, natuklasan ng mga siyentipiko na ang problema ay maaaring matugunan sa pamamagitan ng paggamit sa mga tinatawag na polariton.

Polariton - Isa sa mga kamakailang nilikha virtual particle, tulad ng isang photon, at may kakayahang ipakita ang mga katangian ng mga alon at partikulo. Ang polariton ay may kasamang tatlong bahagi: isang optical resonator, na binubuo ng isang pares ng mga salamin ng reflector, sa pagitan ng kung saan ang isang light wave ay nakakulong, pati na rin ang isang kabuuan. Ang isang mahusay na kabuuan ay kinakatawan ng isang atom na may isang elektron na umiikot sa paligid nito, na may kakayahang magpalabas o sumisipsip ng isang kabuuan ng ilaw.

Sa mga unang eksperimento, ipinakita ng quasiparticle polariton ang sarili sa lahat ng kaluwalhatian nito, na ipinapakita na maaari itong magamit upang lumikha ng mga transistor at iba pang mga lohikal na elemento ng mga light computer, ngunit mayroong isang seryosong minus - ang trabaho ay posible lamang sa mga temperatura ng ultralow malapit sa ganap na zero.

Ngunit nalutas ng mga siyentipiko ang problemang ito. Natutunan nila kung paano lumikha ng mga polaritons hindi sa semiconductors, ngunit sa mga organikong analogue ng semiconductors, na napapanatili ang lahat ng mga kinakailangang katangian kahit na sa temperatura ng silid.

Para sa papel ng naturang sangkap polyparaphenylene - isang kamakailang natuklasan na polimer, na katulad sa mga ginamit sa paggawa ng Kevlar at iba't ibang mga tina.

Salamat sa isang espesyal na aparato, ang mga molekula ng polyparaphenylene ay maaari ring makabuo ng mga espesyal na zone sa loob ng kanilang sarili na maaaring matupad ang pagpapaandar ng isang kabuuang balon ng isang klasikal na polariton sa kanilang sarili.

Ang pagkakaroon ng nakapaloob na pelikula ng polyparaphenylene sa pagitan ng mga layer ng mga tulagay na materyales, natagpuan ng mga siyentipiko ang isang paraan upang makontrol ang estado ng isang kabuuan ng mabuti sa pamamagitan ng pagpilit ng dalawang magkakaibang uri ng mga laser at gawin itong naglalabas ng mga photon.

Ang pang-eksperimentong prototype ng transistor ay nagpakita ng kakayahang mag-record ng mabilis na paglipat at pagpapalakas ng light signal na may kaunting pagkonsumo ng enerhiya.

Tatlo sa mga transistor na ito ang nagpahintulot sa mga mananaliksik na magtipon unang lohikal na mga fixture sa pag-iilawpagpaparami ng mga operasyon "AT" at "O". Ang resulta ng eksperimento ay nagmumungkahi na ang daan patungo sa paglikha light computer- matipid, mabilis at compact - sa wakas bukas.