Первый петрагерцовый фототранзистор работает в обычных условиях

Electronics & Sensors INSIDER

Мохаммад Хассан (справа), доцент физики и оптических наук, и Мохамед Сеннари, аспирант, изучающий оптику и физику, держат коммерческий транзистор, использованный для разработки петрагерцового транзистора. (Изображение: Исследователи)

Что, если ультрабыстрые импульсы света могли бы управлять компьютерами со скоростью в миллион раз быстрее современных лучших процессоров? Команда ученых, включая исследователей из Университета Аризоны, работает над тем, чтобы сделать это возможным.

В прорывном международном усилии исследователи из департамента физики Колледжа науки и Колледжа оптических наук Джеймса Уайанта продемонстрировали способ манипулирования электронами в графене с помощью импульсов света, длящихся менее триллионной доли секунды. Используя квантовый эффект, известный как туннелирование, они записали электроны, обходящие физический барьер почти мгновенно, подвиг, переопределяющий потенциальные пределы вычислительной мощности.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, подчеркивает, как эта техника может привести к скоростям обработки в петрагерцовом диапазоне — более 1000 раз быстрее современных компьютерных чипов.

Передача данных на таких скоростях революционизирует вычисления, как мы их знаем, сказал Мохаммад Хассан, доцент физики и оптических наук. Хассан давно преследует световую компьютерную технологию и ранее возглавлял усилия по разработке самого быстрого в мире электронного микроскопа.

«Мы пережили огромный скачок вперед в разработке технологий вроде программного обеспечения искусственного интеллекта, но скорость разработки аппаратного обеспечения не движется так быстро», — сказал Хассан. «Но, опираясь на открытие квантовых компьютеров, мы можем разработать аппаратное обеспечение, соответствующее текущей революции в программном обеспечении информационных технологий. Ультрабыстрые компьютеры будут огромно способствовать открытиям в космических исследованиях, химии, здравоохранении и многом другом».

Хассан работал вместе с коллегами из Университета Аризоны: Николаем Голубевым, доцентом физики; Мохамедом Сеннари, аспирантом по оптике и физике; Джалилем Шахом, постдокторантом по физике; и Минруи Юань, аспирантом по оптике. К ним присоединились коллеги из Лаборатории реактивного движения Кальтеха (JPL) и Людвиг-Максимилианского университета Мюнхена в Германии.

Команда изначально изучала электрическую проводимость модифицированных образцов графена, материала, состоящего из единственного слоя атомов углерода. Когда лазер светит на графен, энергия лазера возбуждает электроны в материале, заставляя их двигаться и образовывать ток.

Иногда эти электрические токи взаимно компенсируют друг друга. Хассан сказал, что это происходит потому, что энергетическая волна лазера движется вверх и вниз, генерируя равные и противоположные токи по обе стороны графена. Из-за симметричной атомной структуры графена эти токи зеркалят друг друга и взаимно компенсируются, не оставляя детектируемого тока.

Но что, если один электрон мог проскользнуть через графен, и его путешествие могло быть захвачено и отслежено в реальном времени? То почти мгновенное «туннелирование» было неожиданным результатом модификации командой разных образцов графена.

«Это то, что я больше всего люблю в науке: настоящее открытие приходит из вещей, которые вы не ожидаете случиться», — сказал Хассан. «Идя в лабораторию, вы всегда предвидите, что случится — но настоящая красота науки в маленьких вещах, которые случаются и заставляют вас исследовать дальше. Как только мы поняли, что достигли этого туннелирующего эффекта, мы должны были узнать больше».

Используя коммерчески доступный графеновый фототранзистор, модифицированный для введения специального кремниевого слоя, исследователи использовали лазер, который выключается и включается со скоростью 638 аттосекунд, чтобы создать то, что Хассан назвал «мировым самым быстрым петрагерцовым квантовым транзистором».

Транзистор — это устройство, действующее как электронный переключатель или усилитель, контролирующий поток электричества между двумя точками и являющееся фундаментальным для разработки современной электроники.

«Для справки, одна аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды», — сказал Хассан. «Это означает, что это достижение представляет большой скачок вперед в разработке ультрабыстрых компьютерных технологий путем реализации петрагерцово-скоростного транзистора».

Пока некоторые научные достижения происходят под строгими условиями, включая температуру и давление, этот новый транзистор работал в обычных условиях — открывая путь к коммерциализации и использованию в повседневной электронике.

Источник