Valo-vaihtaja voi uudelleenohjata valon piirien välillä erittäin nopeasti

Tutkijat National Institute of Standards and Technology (NIST):ssä ovat kehittäneet valo-vaihtajan, joka pystyy uudelleenohjata valoa tietokoneen piirien välillä 20 miljardia sekuntia. Uusi laite on nopeampi kuin vastaavat laitteet, ja se voidaan integroida edullisiin piirien joukkoon sen matalien jännitteiden ansiosta. Kun se ohjaa valoa, piiri kärsii erittäin vähäistä signaalin menetystä.

Potential Applications

Uusi piiri on merkittäviä vaikutuksia tietokoneisiin, ja se auttaa kehittämään tietokoneen, joka käsittelee tietoa valon avulla sähkön sijaan. On useita etuja käyttää fotoneita tietojen siirtämiseen, mukaan lukien nopeampi kulkeminen ja energiatehokkuus. Sähkön käytössä tietokoneen komponentit lämmitetään, mikä tuhlaa energiaa ja rajoittaa tietokoneen suorituskykyä.

Uusi vaihtaja käyttää nanometrin mittakaavan kultaa ja piiliä optisissa, sähköisissä ja mekaanisissa komponenteissa. Nämä ovat kaikki tiiviisti pakattu, ja ne lähettävät valoa kanavaan ja sieltä pois. Tämä vaikuttaa sen nopeuteen ja liikkeen suuntaan.

Laitteen kuvasi NIST:n johtama kansainvälinen tiimi Science -julkaisussa.

NIST:n, ETH Zürichin ja Marylandin yliopiston yhteistyössä toimineen Christian Haffnerin mukaan vaihtajalla on paljon potentiaalisia sovelluksia. Sitä voidaan käyttää itseohjautuvissa ajoneuvoissa ohjaamaan valosäteitä, jotka skannaavat tienpinnan mitatakseen etäisyyden muihin ajoneuvoihin ja jalankulkijoihin. Vaihtajaa voidaan myös käyttää hermoverkoissa, jotka hyödyntävät valon perusteisia piirejä sähkön sijaan.

Yksi uuden vaihtajan suurimmista hyödyistä on, että se käyttää erittäin vähän energiaa ohjatakseen valo-signaaleja, mikä voi olla erittäin tärkeää kvanttilaskennassa. Kvanttitietokoneella on herkkä suhde subatomisten partikkelien pareiden välillä, joka prosessoi tietoa. Niiden herkkyyden vuoksi tietokoneen on toimittava erittäin alhaisissa lämpötiloissa ja tehokkaasti, jotta partikkeliparit eivät häiriinny. Koska uusi vaihtaja vaatii paljon vähemmän energiaa, se voi olla tärkeä osa kvanttilaskennassa.

Challenging Long Held Beliefs

Haffnerin mukaan, yhdessä NIST:n Vladimir Aksyukin ja Henri Lezecin kanssa, uudet löydökset ristiriitaisia monien pitkään pidettyjen uskomusten kanssa tieteellisessä yhteisössä. Monet tutkijat uskovat, että nämäntapaiset vaihtajat eivät olisi käytännöllisiä niiden suuren koon ja korkean jännitteen vuoksi, joka aiheuttaa hitaan suorituskyvyn.

Asettelu sisältää putkimaisen kanavan, jota kutsutaan aaltoopaksi, ja valosäde kulkee siinä. On uloskäynti, josta osa valosta poistuu onteloon, joka on muutamia nanometrejä etäällä.

Vaihtaja hyödyntää myös ohutta kultaisen kalvon, joka on ripustettu muutamia kymmeniä nanometrejä yläpuolelle piilevystä, johon on kaiverrettu ontelo. Kun valo liikkuu ympäri, osa siitä vuotaa ulos ja osuu kalvoon. Tämä aiheuttaa elektroniryhmiä kalvon pinnalla värähtelemään. Värähtelyt kutsutaan plasmoneiksi, ja ne ovat sekoitus valoaaltoa ja elektroniaaltoa. Värähtelevien elektronien aallonpituus on lyhyempi, mikä mahdollistaa plasmoneiden manipuloinnin nanometrin etäisyydellä. Kaikki tämä auttaa valo-vaihtajaa pysymään erittäin kompaktina.

Jos tutkijat muuttavat etäisyyttä piilevyn ja kultaisen jänteen välillä muutamalla nanometrillä, hybridivalon aallon vaihe viivästyy tai edistyy. Kun aallon vaihe yhdistyy valoon, joka kulkee putkimaisessa kanavassa, kaksi säde aiheuttaa valon joko estymisen tai jatkamisen alkuperäisessä suunnassa. Tämä mahdollistaa valon siirtämisen mihin tahansa tietokoneen piiriin halutessa.

Tutkijaryhmän seuraavat vaiheet ovat lyhentää etäisyyttä piilevyn ja kultaisen kalvon välillä, jotta laite voidaan tehdä pienemmäksi. Tämä auttaisi edelleen vähentämään signaalin menetystä, mikä tekee vaihtimesta entistä hyödyllisemmän eri teollisuudenaloille.