0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Дата: 2019-06-21 10:34

Сегодня для работы с оптикой на уровне электронных схем требуются достаточно сложные и сравнительно крупные элементы: полупроводниковые лазеры, фотоэлементы, волноводы и сопутствующие конструкции для управления световыми потоками в составе чипа. Пока всё это используется только для передачи данных (и от этого уже есть эффект в виде снижения потребления интерфейсов), хотя настоящий прорыв произойдёт только тогда, когда получится создать полностью оптический транзистор. К сожалению, в силу своей физической природы фотоны слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Впрочем, при температурах, близких к абсолютному нулю, в полупроводниках возникают явления тип квантовых колодцев, когда фотон может стать «материальным» ― начать взаимодействовать с материалом и, следовательно, становится управляемым. А управляемый фотон ― это не что иное, как следствие работы полностью оптического транзистора. Как сообщает информагентство РИА, группа учёных из «Сколтеха» совместно с исследователями из цюрихского центра компании IBM создали оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Информация о разработке представлена на сайте журнала Nature Photonics (к полной статье доступ платный). Повысить рабочую температуру оптического транзистора до окружающей удалось благодаря переходу на такой органический материал (полимер), как полипарафенилен (MeLPPP). Этот материал также как полупроводники характеризуется наличием квантовых колодцев ― чередующихся зон с меньшей шириной запрещённой зоны, окружённых участками с большей шириной запрещённой зоны. Но и это не всё.

Предыдущие новости

Apple предупредила, что батареи в гаджетах потенциально пожароопасны. Как говорится в сообщении компании, «Apple установила, что в ограниченном числе 15-дюймовых MacBook Pro более старого поколения батарея может перегреться и создать угрозу пожарной.

Эксперты назвали новый вид аферизма в Интернете, благодаря которому хакеры могут завладеть персональными данными граждан. Данным исследованием занималась компания DeviceLock. Мошенники фиксируют на камеру сведения с монитора.

Роскачество опубликовало новое исследование, в рамках которого эксперты проверили приложения сервисов по доставке продуктов. Специалисты отобрали в онлайн-магазинах App Store и Google Play 24 наиболее популярных представителей данной категории и оценили их по 60.

Москвичи теперь смогут исправить ошибки, допущенные при оплате парковки, с помощью обновленной версии мобильного приложения, сообщает пресс-служба ГКУ «Администратор московского парковочного

Создан первый в мире оптический транзистор с частотой 2 ТГц, работающий при комнатной температуре

Инженерам удалось создать первый в мире полностью оптический транзистор с частотой переключения несколько терагерц, который способен работать при комнатной температуре.

Информационные технологии стремительно развиваются и требуют более мощного вычислительного оборудования, но существующая компьютерная архитектура устанавливает определенные ограничения. Поэтому ученые исследуют потенциал квантовых технологий и компонентов, которые управляют данными только с помощью света и могут повысить скорость переключения и логических операций.

Группа инженеров из лаборатории IBM в Цюрихе, Сколковского института науки и технологий и Саутгемптонского университета разработала уникальный оптический транзистор из органического полупроводникового полимера. Длина устройства составляет всего несколько микрометров, но оно способно усиливать оптический сигнал в 6500 раз и обеспечивает возможность каскадирования, что является необходимым условием при использовании транзистора для логических элементов.

В природе световые луч обычно не взаимодействуют друг с другом, поэтому в новом транзисторе в качестве посредника использовали квазичастицы, известные как экситон-поляритоны. Они возникают в органическом полупроводнике MeLPPP толщиной 35 нанометров, размещенном между двумя высокоотражающими зеркалами, для формирования оптического резонатора с помощью лазера.

На фото показан круглый стеклянный чип, который содержит оптический микрорезонатор для органического поляритонного транзистора.

В ходе испытаний время отклика для переключения между двумя логическими состояниями транзистора составляло примерно 500 фемтосекунд, что обеспечивает частоту в несколько терагерц, не требуя при этом криогенного охлаждения для работы. В органическом устройстве также нет особых требований к углу наклона нагнетающего лазера, что делает его гибким в геометрии настройки и позволяет совмещать с оптоволоконным оборудованием или создавать интегрированные плоские схемы с ним.

Исследователи отмечают, что при усовершенствовании, для работы таких транзисторов будет необходимо всего несколько фотонов, что радикально снизит требуемую энергию переключения до аттоджоульного уровня.

Ранее мы также сообщали о новой технологии обработки алмазов, которая позволит создавать мощные чипы для квантовых компьютеров.

текст: Илья Бауэр, фото: IBM, itolens

Российские ученые предложили платформу для создания оптического транзистора

Транзисторы, без которых невозможно представить себе современное человечество, работают за счет управляемого движения по ним электронов. Этот метод использовался десятилетиями, однако у него есть ряд недостатков: во-первых, электроника греется при работе, и часть энергии тратится не на полезную работу, а на паразитный нагрев. Для борьбы с этим нагревом приходится оснащать устройства вентиляторами, то есть тратить еще больше энергии. Во-вторых, скорость электронных устройств имеет свои ограничения. Часть этих проблем можно решить, если использовать вместо электронов частицы света – фотоны.

Читать еще:  Рекордный прирост: в апреле количество обладателей VR-гарнитур в Steam выросло на один миллион

Проблема заключается в том, что фотоны, в отличие от электронов, друг с другом не взаимодействуют. Ученые со всего мира по-разному предлагают “обучать” фотоны взаимодействовать друг с другом. Один из таких способов – связать фотоны с другими частицами. Группа ученых, среди которых сотрудники Нового Физтеха Университета ИТМО, предложили новую эффективную реализацию, где фотоны связываются с экситонами в однослойных полупроводниках. Экситоны возникают, когда электрон, возбужденный внешним воздействием, оставляет за собой незаполненную валентную связь, которую физики называют дыркой. При этом электрон и дырка могут связываться между собой, образуя новую частицу – экситон, которая может взаимодействовать с такими же частицами, говорится в опубликованной в журнале «Light: Science & Applications» статье.

“Если экситон связать с частицами света, то получим поляритон, – рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Василий Кравцов, соавтор работы, – эта частица будет отчасти светом, с ее помощью можно будет быстро передавать информацию, и в то же время она будет в состоянии взаимодействовать с другими такими же частицами”.

Казалось бы, поляритоны решают проблему: нужно просто создать транзистор на их основе. Однако все не так просто – надо создать систему, в которой такие частицы существовали бы достаточно долго и при этом имели бы высокие показатели взаимодействия. В лабораториях Нового Физтеха Университета ИТМО поляритоны получают с помощью лазера, волновода и тончайшего слоя полупроводника. Пластинку полупроводника толщиной всего в три атома кладут на волновод, созданный из оптического материала, на поверхности которого вырезана особым образом сетка из тончайших канавок. После этого на эту систему светит красный лазер, который создает в полупроводнике экситоны, которые в свою очередь связываются с частицами света, образуя поляритоны. Получившиеся поляритоны не только существуют сравнительно долго, но и имеют высокие показатели нелинейности, то есть активно взаимодействуют друг с другом.

“Это приближает нас на шаг к созданию оптического транзистора – у нас есть планарная платформа, которую можно интегрировать в чип, толщиной меньше 100 нанометров. Поскольку показатели взаимодействия частиц большие, то нам не нужно устанавливать мощный лазер, достаточно небольшого источника красного света, который также можно интегрировать на чипе”, – рассказывает Кравцов.

Ученые продолжают опыты. Сейчас перед ними стоит задача показать, что система работает при комнатной температуре.

Картинка: иллюстрация экспериментальных структур, пресс-служба ИТМО

Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Сегодня для работы с оптикой на уровне электронных схем требуются достаточно сложные и сравнительно крупные элементы: полупроводниковые лазеры, фотоэлементы, волноводы и сопутствующие конструкции для управления световыми потоками в составе чипа. Пока всё это используется только для передачи данных (и от этого уже есть эффект в виде снижения потребления интерфейсов), хотя настоящий прорыв произойдёт только тогда, когда получится создать полностью оптический транзистор. К сожалению, в силу своей физической природы фотоны слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Впрочем, при температурах, близких к абсолютному нулю, в полупроводниках возникают явления тип квантовых колодцев, когда фотон может стать «материальным» ― начать взаимодействовать с материалом и, следовательно, становится управляемым. А управляемый фотон ― это не что иное, как следствие работы полностью оптического транзистора.

Как сообщает информагентство РИА, группа учёных из «Сколтеха» совместно с исследователями из цюрихского центра компании IBM создали оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Информация о разработке представлена на сайте журнала Nature Photonics (к полной статье доступ платный). Повысить рабочую температуру оптического транзистора до окружающей удалось благодаря переходу на такой органический материал (полимер), как полипарафенилен (MeLPPP). Этот материал также как полупроводники характеризуется наличием квантовых колодцев ― чередующихся зон с меньшей шириной запрещённой зоны, окружённых участками с большей шириной запрещённой зоны. Но и это не всё.

Оперировать приходится не чистым фотоном, а квазичастицей, которая возникает в ходе взаимодействия фотона и элементарного возбуждения среды (материала). Такая виртуальная частица называется поляритон. В данном случае учёные научились управлять экситон-поляритоном (exciton-polaritons). Эта квазичастица возникает при взаимодействии фотонов с возбуждением в диэлектрике. Тем самым задача по созданию оптической логики разбивается на две части. Фотоны превращаются в экситон-поляритоны (происходит как бы расщепление светового потока или вычленение квазичастиц), и только потом появляется возможность использовать экситон-поляритоны для переключения и усиления сигнала, что аналогично работе транзистора.

Конструктивно поляритон представляет собой оптический резонатор из двух отражающих волны зеркал вокруг квантового колодца со световой волной внутри. Квантовый колодец в данном случае ― это атом активного материала с вращающимся вокруг него электроном. Эта структура может поглощать фотон и излучать его. Эксперименты с подобным оптическим «транзистором» показали, что структура демонстрирует усиление на уровне 10 дБ мкм -1 и скорость переключения быстрее пикосекунды. Что важно, на основе оптического транзистора учёные создали каскадный усилитель и логические элементы, а не просто доказали работоспособность отдельной транзисторной структуры. Что же, процессоры на оптических транзисторах обретают какие-то контуры. Когда-нибудь они могут стать реальностью.

Ученые Сколтеха и их зарубежные коллеги разработали первый в мире сверхбыстрый полностью оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Группа ученых Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Исследовательского центра IBM в Цюрихе (Швейцария) и Университета Вупперталя (Германия) разработала полностью оптический транзистор нового типа на основе поляритонов в органических структурах. Этому научному достижению посвящена статья, опубликованная в ведущем научном журнале Nature Photonics [1], разместившим анонс этого исследования на своей обложке. В статье представлены результаты более чем двухлетнего тесного сотрудничества между Лабораторией гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса и Исследовательским центром IBM в Цюрихе. Ученым удалось создать первый в мире полностью оптический поляритонный транзистор, способный работать при комнатной температуре и имеющий беспрецедентно высокий коэффициент усиления. Специалисты считают, что данная разработка является большим шагом на пути к созданию сверхбыстрых оптических логических схем и приближает появление реальных оптических компьютеров [2].

Читать еще:  Linux для новичков: знакомимся с Linux Mint 19. Часть 1: установка

Фото: Органический поляритонный транзистор

Мы редко задумываемся над тем как устроены окружающие нас вычислительных системы, такие как ноутбуки и смартфоны, сегодня все они основаны на слаженной работе миллиардов электрических транзисторов, которые, пожалуй, являются одним из самых важных изобретений 20-го века. В основе работы транзистора лежит принцип управляемого протекания электрического тока (потока электронов). При протекании тока по электрическим цепям микросхем неизбежно происходит выделение энергии в виде тепла (это легко почувствовать, если просто держать телефон в руке). Количество тепловой энергии, выделяемой одним смартфоном, ничтожно мало, но ведь в мире существуют миллиарды таких устройств и тысячи центров обработки данных, в совокупности вырабатывающих колоссальное количество энергии впустую… Подсчитано, что мировая индустрия информационных и коммуникационных технологий, которая уже сейчас потребляет вдвое больше электроэнергии, чем вся Россия, к 2025 году будет потреблять до 1/5 мировых запасов электричества. Если вместо электронов использовать фотоны (элементарные частицы света), то эту серьезную проблему можно было бы решить при помощи оптического компьютера, позволяющего обрабатывать информацию со скоростью света, потребляя при этом гораздо меньше энергии. Ученые, разработавшие полностью оптический транзистор сделали большой шаг на пути к заветной мечте ‒ созданию оптического компьютера.

На первый взгляд может показаться, что фотоны являются идеальной заменой электронов, однако, до сих пор крайне низкая степень взаимодействия между фотонами существенно осложняла построение логических операций. Действительно, какой толк в получении идеальных сигналов на микросхеме, если их нельзя обработать? Для решения этой проблемы ученые Сколтеха и их коллеги из Исследовательского центра IBM в Цюрихе разработали новую структуру на базе органических полупроводников, в которой можно «смешивать» свет и вещество. Свет, попадающий в эту структуру, остается внутри нее и взаимодействует с веществом. В процессе этого взаимодействия образуются так называемые поляритоны, т.е. некий гибрид света (фотоны) и вещества (электроны). Придавая фотонам массу, поляритоны приобретают способность взаимодействовать между собой, что позволяет создавать оптические транзисторы и строить оптическую логику. Представленный исследователями новый полностью оптический поляритонный транзистор обеспечивает сверхвысокую скорость работы и рекордную эффективность. Показано, что тактовая частота нового транзистора может достигать 2 ТГц, что примерно в 1000 раз выше по сравнению с лучшими традиционным процессором. Если ранее разработки в данном направлении велись в основном в области сверхнизких температур, то с появлением органических полупроводников, способных работать при комнатной температуре, можно уже всерьез говорить о реализации реальных устройств на принципах поляритоники.

Фото: Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха (слева экспериментальная установка демонстрирующая принцип работы органического поляритонного транзистора расположена слева).

Создание оптического транзистора, несомненно, является крупным достижением, тем не менее, корректное выполнение логических операций требует подключения сразу нескольких транзисторов, что является значительной трудностью для многих ранее предложенных концептов. В частности, каскадное подключение нескольких транзистор в единую «фотонную цепь» оказалось весьма сложной, а в некоторых случаях и вовсе невыполнимой задачей.. Ученые из Сколтеха и исследовательского центра IBM осуществили одновременноеб каскадное подключение 3-х транзисторов для создания полнофункциональных логических вентилей «И» и «ИЛИ и тем самым наглядно продемонстрировав масштабируемость своей технологии. Логический вентиль, являющийся базовым элементом любой цифровой схемы, принимает на каждый из своих двух входов сигнал с уровнем 0 или 1, а на выходе возвращает сигнал 0 или 1 в соответствии с предварительно заданными правилами. Так поляритонный логический вентиль «И» на выходе возвращает 1, только если на обоих входах он принимает уровень сигнала 1, в противном случае вентиль возвращает уровень 0. Тогда как вентиль «ИЛИ» на выходе возвращает 1, если хотя бы на одном из двух входов он принимает сигнал с уровнем 1. При каскадном подключении выход одного транзистора подключают к входам нескольких транзисторов, что приводит к существенным потерям мощности сигнала. Для снижения потерь необходимо значительно усилить входной сигнал таким образом, чтобы на выходе получить сигнал гораздо большей мощности. Это условие является принципиальным требованием для осуществления сложной обработки цифровых сигналов. Исследователи продемонстрировали возможность усиления входного оптического сигнала в 6500 раз и получили рекордно высокие коэффициенты усиления в микромасштабе ‒ до 10 дБ/мкм. В ближайшие годы эта группа ученых планирует расширить рамки исследования и создать полные логические схемы на базе поляритонов, а также разработать более сложный «универсальный логический вентиль», на основе которого можно будет строить все логические операции.

За менее чем три года своего существования группа молодых исследователей под руководством профессора Павлоса Лагудакиса смогла добиться значительных успехов в разработке и демонстрации возможностей сложных фотонных технологий. Аспирант Сколтеха и соавтор исследования Антон Бараников отмечает: «Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой я и остальные члены нашей группы трудились днем и ночью». Научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Антон Заседателев добавляет: «Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха ‒ это уникальное сочетание почти неограниченных экспериментальных возможностей – высококлассного, передового оборудования и команды молодых, талантливых, мотивированных исследователей. В этом состоит успех этой работы! Думаю, однажды фотонные процессоры работающие со скоростью света станут для нас такой же реальность, какой сегодня для нас является оптическая связь.»

Читать еще:  Google купила студию-разработчика Journey to the Savage Planet — теперь она будет заниматься играми для Stadia

Фото: Аспирант Сколтеха Антон Бараников и научный сотрудник Сколтеха Антон Заседателев.

Прорывные результаты, опубликованные в журнале Nature Photonics, служат наглядным примером плодотворного сотрудничества Сколтеха с международными промышленными партнерами. Ноу-хау Лаборатории гибридной фотоники, талант ее сотрудников и опыт специалистов Исследовательского центра IBM в Цюрихе ‒ главные слагаемые успеха этого проекта, который позволил не только продемонстрировать работоспособность полностью оптического транзистора нового типа, но и интегрировать его в базовые элементы логической схемы. Эта технология, находящаяся в процессе патентования, может лечь в основу будущих высокопроизводительных и мощных вычислительных платформ.

[1] A. V. Zasedatelev, A. V. Baranikov, D.Urbonas, F.Scafirimuto, U.Scherf, T.Stöferle, R. F. Mahrt&P. G. Lagoudakis, “A room-temperature organic polariton transistor”, Nature Photonics 13, 378–383 (2019). Html link.

[2] Z. Sun &D. W. Snoke, “Optical switching with organics”, Nature Photonics 13, 370–371 (2019). Html link.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

Ученые создали супер-быстрый транзистор, работающий при комнатной температуре

Ученые из IBM в Цюрихе и Сколтеха разработали оптический транзистор, состоящий из органического полупроводника и работающий при комнатной температуре. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Photonics и даже отражены на его обложке.

Современные компьютеры уже круто изменили нашу жизнь, однако число и сложность задач по анализу данных продолжает расти. Это требует все более и более мощных вычислительных ресурсов .

В основе современных компьютеров лежит электронный транзистор и архитектура фон Неймана. Архитектура фон Неймана — это принцип, по которому в компьютерах хранятся данные и команды, а транзисторы – это строительные блоки из которых собирают компьютеры. За счет увеличения числа транзисторов и уменьшения их размеров, стали возможными смартфоны и другие подобные устройства, производительность и мощность которых в разы превышает эти показатели у огромных компьютером из недавнего прошлого.

Но далеко не факт, что так будет всегда, возможно компьютеры будущего будут использовать другие принципы, например, будут работать на основе искусственного интеллекта, или нас ждут квантовые компьютеры. Многие ученые тестируют разные технологии и пытаются понять, что же все –таки ляжет в основу компьютеров будущего.

Подсчитано, что мировая индустрия информационных и коммуникационных технологий, которая уже сейчас потребляет вдвое больше электроэнергии, чем вся Россия, к 2025 году будет потреблять до 1/5 мировых запасов электричества. Если вместо электронов использовать фотоны (элементарные частицы света), то эту серьезную проблему можно было бы решить при помощи оптического компьютера, позволяющего обрабатывать информацию со скоростью света, потребляя при этом гораздо меньше энергии.

Команда ученых из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе совместно с лабораторией профессора Павлоса Лагудакиса в Сколтехе разработала полностью оптический транзистор нового типа на основе поляритонов в органических структурах. Это первый в мире поляритонный оптическийтранзистор, способный работать при комнатной температуре и имеющий беспрецедентно высокий коэффициент усиления. Специалисты считают, что данная разработка является большим шагом на пути к созданию сверхбыстрых оптических логических схем и приближает появление реальных оптических компьютеров.

На первый взгляд может показаться, что фотоны являются идеальной заменой электронов, однако, до сих пор крайне низкая степень взаимодействия между фотонами существенно осложняла построение логических операций. Действительно, какой толк в получении идеальных сигналов на микросхеме, если их нельзя обработать? Для решения этой проблемы ученые Сколтеха и их коллеги из Исследовательского центра IBM в Цюрихе разработали новую структуру на базе органических полупроводников, в которой можно «смешивать» свет и вещество. Свет, попадающий в эту структуру, остается внутри нее и взаимодействует с веществом. В процессе этого взаимодействия образуются так называемые поляритоны, т.е. некий гибрид света (фотоны) и вещества (электроны). Придавая фотонам массу, поляритоны приобретают способность взаимодействовать между собой, что позволяет создавать оптические транзисторы и строить оптическую логику. Представленный исследователями новый полностью оптический поляритонный транзистор обеспечивает сверхвысокую скорость работы и рекордную эффективность. Показано, что тактовая частота нового транзистора может достигать 2 ТГц, что примерно в 1000 раз выше по сравнению с лучшими традиционным процессором. Если ранее разработки в данном направлении велись в основном в области сверхнизких температур, то с появлением органических полупроводников, способных работать при комнатной температуре, можно уже всерьез говорить о реализации реальных устройств на принципах поляритоники.

Аспирант Сколтеха и соавтор исследования Антон Бараников отмечает: «Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой я и остальные члены нашей группы трудились днем и ночью». Научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Антон Заседателев добавляет: «Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха ‒ это уникальное сочетание почти неограниченных экспериментальных возможностей – высококлассного, передового оборудования и команды молодых, талантливых, мотивированных исследователей. В этом состоит успех этой работы! Думаю, однажды фотонные процессоры работающие со скоростью света станут для нас такой же реальность, какой сегодня для нас является оптическая связь.»

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector