Ερευνητές στο Stanford αναπτύσσουν τεχνολογίες που λειτουργούν με φως

στις

Ερευνητές σχεδιάζουν δίοδο φωτονίων σε νανοκλίμακα —εξάρτημα απαραίτητο που θα μπορούσε να μας φέρει πιό κοντά σε ταχύτερους, ενεργειακά πιο αποδοτικούς υπολογιστές και επικοινωνίες που αντικαθιστούν τον ηλεκτρισμό με φως.

Αρχική δημοσίευση: Stanford News
Επιμέλεια-Μετάφραση : Πυθεύς

Το μέλλον της ταχύτερης, πιό αποτελεσματικής επεξεργασίας πληροφοριών, ίσως είναι κατά βάθος το φως και όχι ο ηλεκτρισμός. Ο Mark Lawrence, μεταδιδακτορικός φοιτητής της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής στο Stanford, προχώρησε ένα βήμα πλησιέστερα στο μέλλον αυτό με ένα σχέδιο κατασκευής διόδου φωτονίων —συσκευή που επιτρέπει στο φως να ρέει σε μία κατεύθυνση— η οποία σε αντίθεση με άλλες διόδους που βασίζονται στο φως, είναι αρκετά μικρή για ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης.

Το μόνο που είχε να κάνει ήταν να σχεδιάσει μικρότερες από μικροσκοπικές δομές και να αναστείλλει μια θεμελιώδη συμμετρία της φυσικής.

«Οι δίοδοι είναι πολύ διαδεδομένες στα σύγχρονα ηλεκτρονικά, από τα LED (δίοδος εκπομπής φωτός) στα ηλιακά/φωτοηλεκτρικά κύτταρα (ουσιαστικά LED που λειτουργούν αντίστροφα) σε ολοκληρωμένα κυκλώματα υπολογιστών και επικοινωνιών,» υποστήριξε η Jennifer Dionne, επικ. Καθηγήτρια της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής και επικεφαλής συγγραφέας για την μελέτη που περιγράφει την δημοσιευμένη εργασία στα επιστημονικά πρακτικά Nature Communications. «Η επίτευξη, συμπαγών, αποδοτικών φωτονικών διόδων είναι υψίστης σημασίας για την επίτευξη της νέας γενιάς υπολογιστών—επικοινωνιών καθώς και τεχνολογιών μετατροπής ενέργειας.»

Αυτή την περίοδο, η Dionne και ο Lawrence έχουν σχεδιάσει τη νέα φωτονική δίοδο και έχουν ελέγξει το σχέδιό τους με υπολογιστικές προσομοιώσεις και υπολογισμούς. Έχουν επίσης δημιουργήσει τις απαραίτητες νανοδομές —τα ειδικής κατασκευής μικρότερα από μικροσκοπικά εξαρτήματα— και εγκαθιστούν την πηγή φωτός που ελπίζουν ότι θα ζωντανέψει το θεωρητικό τους σύστημα.

«Το μεγαλεπήβολο όραμα είναι να έχουμε έναν εξολοκλήρου οπτικό υπολογιστή, όπου ο ηλεκτρισμός έχει αντικατασταθεί τελείως από το φως και τα φωτόνια οδηγούν όλη την επεξεργασία της πληροφορίας,» είπε ο Lawrence. «Η αυξημένη ταχύτητα και το φασματικό εύρος του φωτός θα επέτρεπαν ταχύτερες λύσεις σε ορισμένα από τα δυσκολότερα επιστημονικά, μαθηματικά και οικονομικά προβλήματα.»

Οι βασικές προκλήσεις μια διόδου βασισμένης στο φως είναι διπλές. Πρώτον, ακολουθώντας τους νόμους της θερμοδυναμικής, το φως θα πρέπει να κινηθεί μπροστά μέσω ενός αντικειμένου χωρίς κινούμενα μέρη με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που θα κινούνταν προς τα πίσω. Για να το κάνουμε να ρέει σε μία κατεύθυνση, απαιτούνται νέα υλικά που θα ανατρέπουν αυτόν τον νόμο, παραβιάζοντας αυτό που είναι γνωστό σαν συμμετρία χρονικής αντιστροφής. Δεύτερον, το φως είναι πολύ πιό δύσκολο στον χειρισμό του από τον ηλεκτρισμό επειδή δεν έχει φορτίο.

Άλλοι ερευνητές αντιμετώπισαν προηγουμένως αυτές τις προκλήσεις χειριζόμενοι το φως μέσω ενός πολωτή —που κάνει τα φωτεινά κύματα να ταλαντεύονται σε μια ομοιόμορφη κατεύθυνση— και στη συνέχεια μέσα από ένα κρυσταλλικό υλικό εντός μαγνητικού πεδίου, το οποίο περιστρέφει την πόλωση του φωτός. Τέλος, ένας άλλος πολωτής ταιριασμένος με αυτή την πόλωση οδηγεί το φως έξω με σχεδόν τέλεια μετάδοση. Αν το φως διατρέχει τη συσκευή προς την αντίθετη κατεύθυνση, δεν βγαίνει καθόλου φως.

Ο Lawrence περιέγραψε τη μονόδρομη δράση αυτή της τριμερούς εγκατάστασης, γνωστής ως απομονωτής Faraday, σα να μοιάζει με το να έχουμε έναν κινούμενο διάδρομο μεταξύ δύο θυρών, όπου ο διάδρομος παίζει το ρόλο του μαγνητικού πεδίου. Έστω κι αν προσπαθήσουμε να κινηθούμε προς τα πίσω μέσω της τελευταίας πόρτας, ο διάδρομος συνήθως θα μας εμποδίζει να φτάσουμε στην πρώτη πόρτα.

Με σκοπό να παραγάγουμε μια αρκούντος ισχυρή περιστροφή της πόλωσης του φωτός, αυτά τα είδη των διόδων θα πρέπει να είναι σχετικά μεγάλα —πολύ μεγάλα για να ταιριάζουν σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές ή έξυπνα τηλέφωνα. Σαν εναλλακτική, η Dionne και ο Lawrence καταπιάστηκαν με μια μέθοδο περιστροφής στο κρύσταλλο με την χρήση μιας άλλης δέσμης φωτός αντί μαγνητικού πεδίου. Αυτή η δέσμη είναι πολωμένη έτσι ώστε το ηλεκτρικό της πεδίο να ακολουθεί σπιροειδή κίνηση, η οποία με τη σειρά της, παράγει περιστρεφόμενες ακουστικές δονήσεις στο κρύσταλλο που του προσδίδουν ικανότητες περιστροφής παρόμοιες με τις μαγνητικές και επιτρέπουν σε περισσότερο φως να βγεί έξω. Για να γίνει η κατασκευή ταυτόχρονα μικρή και αποτελεσματική το εργαστήριο Dionne βασίστηκε στην εμπειρία του στον χειρισμό και την ενίσχυση του φωτός με μικροσκοπικές νανοκεραίες και νανοδομημένα υλικά που ονομάζονται μεταεπιφάνειες .

  • Απόσπασμα a από της εικόνα 2 της μελέτης: Σχεδιάγραμμα μεταεπιφάνειας πιρυτίου   d = 640 nm


Οι ερευνητές σχεδίασαν συστοιχίες εξαιρετικά λεπτών δίσκων πυριτίου που λειτουργούν σε ζεύγη για να παγιδεύουν το φως και να ενισχύουν την σπειροειδή του κίνηση μέχρι να βρει διέξοδο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την υψηλή μετάδοση προς την κατεύθυνση της προώθησης. Όταν εκπέμπεται από την αντίθετη κατεύθυνση, οι ακουστικές δονήσεις περιστρέφονται αντίστροφα και βοηθούν στην εξουδετέρωση κάθε φωτός που προσπαθεί να βγει. Θεωρητικά, δεν υπάρχει όριο στο πόσο μικρό θα μπορούσε να είναι αυτό το σύστημα. Για τις προσομοιώσεις τους, φαντάστηκαν δομές τόσο λεπτές όσο 250 νανόμετρα. (Για αναφορά, ένα φύλλο χαρτιού έχει πάχος περίπου 100.000 νανομέτρων.)

  • Απόσπασμα a από της εικόνα 4 της μελέτης: Προσομοίωση συμπεριφοράς μη αμοιβαίου πλασμονικού συντονιστή. Σχεδιάγραμμα της περιστροφικά συμμετρικής φορτωμένης με διαμάντι νανοκεραίας.

  • Αποσπάσματα c-f από την εικόνα 2 της μελέτης: Κατανομές ηλεκτρικού πεδίου, με χρωματικούς χάρτες να δίνουν το εύρος και τις διανυσματικές κατευθύνσεις να δείχνονται με βέλη

Για να επιστρέψουμε στη μεγάλη εικόνα, το ιδιαίτερο ενδιαφέρον των ερευνητών είναι στραμμένο στο πώς οι ιδέες τους θα επηρέαζαν την ανάπτυξη υπολογιστών που μιμούνται τον εγκέφαλο και ονομάζονται νευρομορφικοί υπολογιστές. Η επίτευξη του στόχου αυτού απαιτεί επιπρόσθετες προόδους σε άλλες διατάξεις φωτός, όπως οι φωτεινές πηγές και οι διακόπτες σε νανοκλίμακα.

«Οι νανοφωτονικές συσκευές μας ενδέχεται να μας επιτρέψουν να μιμηθούμε το πώς υπολογίζουν οι νευρώνες παρέχοντας στην υπολογιστική την ίδια υψηλή διασυνδεσιμότητα και ενεργειακή απόδοση με αυτή του εγκεφάλου, αλλά με πολύ πιο γρήγορες ταχύτητες υπολογισμών,» είπε η Dionne

«Μπορούμε να αφομοιώσουμε αυτές τις ιδέες σε πάρα πολλές κατευθύνσεις,» είπε ο Lawrence. «Δεν έχουμε συναντήσει τα όρια της κλασικής ή της κβαντικής οπτικής υπολογιστικής και της οπτικής επεξεργασίας πληροφοριών. Κάποια μέρα θα μπορούμε να έχουμε ένα εξολοκλήρου οπτικό μικροκύκλωμα που θα κάνει ό,τι κάνουν τα ηλεκτρονικά και ακόμα περισσότερα.»




Stanford researchers developing technologies that run on light

Researchers are designing a nanoscale photon diode – a necessary component that could bring us closer to faster, more energy-efficient computers and communications that replace electricity with light.

The future of faster, more efficient information processing may come down to light rather than electricity. Mark Lawrence, a postdoctoral scholar in materials science and engineering at Stanford, has moved a step closer to this future with a scheme to make a photon diode – a device that allows light to only flow in one direction – which, unlike other light-based diodes, is small enough for consumer electronics.

All he had to do was design smaller-than-microscopic structures and break a fundamental symmetry of physics.

“Diodes are ubiquitous in modern electronics, from LEDs (light emitting diodes) to solar cells (essentially LEDs run in reverse) to integrated circuits for computing and communications,” said Jennifer Dionne, associate professor of materials science and engineering and senior author on the paper describing this work, published July 24 in Nature Communications. “Achieving compact, efficient photonic diodes is paramount to enabling next-generation computing, communication and even energy conversion technologies.”

At this point, Dionne and Lawrence have designed the new photon diode and checked their design with computer simulations and calculations. They’ve also created the necessary nanostructures – the custom smaller-than-microscopic components – and are installing the light source that they hope will bring their theorized system to life.

“One grand vision is to have an all-optical computer where electricity is replaced completely by light and photons drive all information processing,” Lawrence said. “The increased speed and bandwidth of light would enable faster solutions to some of the hardest scientific, mathematical and economic problems.”

Spinning light, breaking laws

The main challenges of a light-based diode are two-fold. First, following the laws of thermodynamics, light should move forward through an object with no moving parts in the exact same way it would move backward. Making it flow in one direction requires new materials that overturn this law, breaking what’s known as time-reversal symmetry. Second, light is much more difficult to manipulate than electricity because it doesn’t have charge.

Other researchers have previously tackled these challenges by running light through a polarizer – which makes the light waves oscillate in a uniform direction – and then through a crystalline material within a magnetic field, which rotates the polarization of light. Finally, another polarizer matched to that polarization ushers the light out with near-perfect transmission. If light is run through the device in the opposite direction, no light gets out.

Lawrence described the one-way action of this three-part setup, known as a Faraday isolator, as similar to taking a moving sidewalk between two doors, where the sidewalk plays the role of the magnetic field. Even if you tried to go backward through the last door, the sidewalk would usually prevent you from reaching the first door.

In order to produce a strong enough rotation of the light polarization, these kinds of diodes must be relatively large – much too large to fit into consumer computers or smartphones. As an alternative, Dionne and Lawrence came up with a way of creating rotation in crystal using another light beam instead of a magnetic field. This beam is polarized so that its electrical field takes on a spiral motion which, in turn, generates rotating acoustic vibrations in the crystal that give it magnetic-like spinning abilities and enable more light to get out. To make the structure both small and efficient, the Dionne lab relied on its expertise in manipulating and amplifying light with tiny nano-antennas and nanostructured materials called metasurfaces.

The researchers designed arrays of ultra-thin silicon disks that work in pairs to trap the light and enhance its spiraling motion until it finds its way out. This results in high transmission in the forward direction. When illuminated in the backwards direction, the acoustic vibrations spin in the opposite direction and help cancel out any light trying to exit. Theoretically, there is no limit to how small this system could be. For their simulations, they imagined structures as thin as 250 nanometers. (For reference, a sheet of paper is about 100,000 nanometers thick.)

What’s possible

Big picture, the researchers are particularly interested in how their ideas might influence the development of brain-like computers, called neuromorphic computers. This goal will also require additional advances in other light-based components, such as nanoscale light sources and switches.

“We can take these ideas in so many directions,” Lawrence said. “We haven’t found the limits of classical or quantum optical computing and optical information processing. Someday we could have an all-optical chip that does everything electronics do and more.”


Εικόνα εξωφύλλου:

Ερευνητές στο Stanford εξελίσσουν δίοδο φωτονίων σε νανοκλίμακα (κλίμακα από 1 έως 100 nm όπου 1 nm ισούται με 1/1.000.000.000 του μέτρου) η οποία θα μπορούσε να συμβάλλει σε τεχνολογίες που λειτουργούν με φως και όχι ηλεκτρισμό (Image credit: Getty Images)

Provided by