Первый ультрабыстрый комнатнотемпературный все-оптический транзистор устанавливает новый бенчмарк

Современные цифровые компьютеры перестроили общество, однако основные технологии, питающие их, все еще имеют значительную комнату для эволюции. По мере того как объемы данных раздуваются и рабочие нагрузки искусственного интеллекта растут, спрос на более мощные, эффективные вычислительные платформы интенсифицируется.

Электронный транзистор и фон Нейман архитектура остаются двумя столпами сегодняшних кремниевых систем. Упаковывая все больше транзисторов на меньшие чипы, мы построили устройства — смартфоны, ноутбуки и серверы — которые доставляют порядки больше вычислительной мощности, чем ранние компьютеры, посадившие людей на Луну. Тем не менее, эти технологии не финальная глава в истории вычислений.

В недавние годы возрождение интереса к радикально разным компонентам и архитектурам возникло, охватывающее AI-оптимизированное железо, in-memory и аналоговые вычисления, и квантовые процессоры. IBM Research давно был на переднем крае изучения таких прорывных концепций, зондируя физические пределы, которые могли бы сформировать завтрашнюю информационно-обрабатывающую инфраструктуру.

Теперь команда IBM Research в Цюрихе, в сотрудничестве с исследователями в Skolkovo Institute of Science and Technology (SIST) и Университете Саутгемптона, анонсировала первый каскадируемый, все-оптический транзистор, работающий при комнатной температуре. Эта веха достигнута использованием уникальных свойств органического полупроводникового полимера — метил-замещенного лестничного поли-[парафенилена] (MeLPPP) — для создания микрокавности, позволяющей одному лазерному лучу переключать, усиливать или подавлять другой.

Прорыв представлен на обложке последнего выпуска рецензируемого журнала Nature Photonics.

Почему это важно

Все-оптические компоненты, обрабатывающие информацию исключительно светом, обещают драматически быстрее переключение, более низкое потребление энергии и новые функциональности такие как маршрутизация «летающих кубитов» для квантовой коммуникации или возможность слепых квантовых вычислений. Построение таких устройств, однако, доказалось ноториально трудным, и поиск все-оптического компьютера продлился примерно пять десятилетий.

Для переключения или усиления оптического сигнала другим оптическим сигналом, требуется медиаторный материал, потому что фотоны в вакууме не взаимодействуют. В этом транзисторе взаимодействие облегчается квази-частицами, называемыми экситон-поляритоны, возникающими в органическом полупроводнике. 35-нанометровый слой MeLPPP сэндвичен между двумя высокорефлективными зеркалами для формирования оптической кавити, где экситон-поляритоны генерируются лазером. Экситон-поляритон — гибрид пары электрон-дырка (экситон) и фотона, помещая это устройство прямо в الناشивающую область органических поляритонных транзисторов.

Этот транзистор — первый своего рода, работающий при комнатной температуре, доставляющий беспрецедентное 6,500-кратное оптическое усиление сигнала от устройства длиной всего несколько микрометров. Это усиление в 330 раз больше, чем достигнуто в неорганических аналогах, позволяя необходимую каскадируемость для логических операций. Эксперименты также раскрыли самую высокую чистую оптическую выгоду, когда-либо записанную для оптического транзистора — приблизительно 10 дБ / мкм.

Кроме того, устройство переключается в суб-пикосекундном режиме, достигая скоростей в мульти-терагерцовом диапазоне без необходимости криогенного охлаждения — крупное преимущество над ранними все-оптическими системами.

Критически, органический поляритонный транзистор устраняет практическое ограничение, препятствующее неорганическим дизайнам: насосный лазер в неорганических микрокавити должен инцидировать под точным углом для запуска транзистора. В органическом устройстве насосный лазер может быть направлен практически под любым углом, предлагая беспрецедентную гибкость для интеграции транзистора в волоконно-пигтейлед системы или планарные он-чип схемы.

Как мы это сделали

Энергетический ландшафт экситон-поляритонных состояний определяется несколькими поляритонными ветвями, возникающими из сильного свет-вещества сцепления между кавити фотонами и экситонами. Наша стратегия использовала бозонную природу экситон-поляритона и наличие выраженных вибрационных мод в органическом полупроводнике для индукции лавиноподобной релаксации горячих экситонов в нижнюю поляритонную ветвь (ground state). Этот виброн-медиационный путь релаксации был спроектирован для доминирования над конкурирующими внутренними конверсионными каналами, и эксперименты подтвердили его эффективность.

Достижение действительно гигантского усиления

В первом шаге мы использовали нерезонансный насосный лазер для генерации высокой плотности горячих экситонов. Насосная длина волны была настроена для производства экситонов, чья энергия лежала ровно один виброник квант выше нижней поляритонной ветви. Выбранный виброник мод соответствует «дыхательному» движению ароматических колец в полимере. Поскольку сильно локализованные экситоны демонстрируют широкое распределение импульса, в-плоскостная компонента импульса насоса в значительной степени нерелевантна; таким образом, насос может быть применен практически под любым углом, избегая строгих фаз-согласованных ограничений неорганических микрокавити.

По мере увеличения плотности насоса, мы наблюдали четкий переход от линейного к нелинейному режиму, с порогом приблизительно 82 мкДж/см². Засеяв ground поляритонное состояние слабым контрольным лучом (≈ 20 нДж/см² — более чем на три порядка слабее нерезонансного насоса), мы снизили конденсационный порог почти вдвое и увеличили экситон-к-поляритон релаксационный коэффициент в 50 раз под теми же насоса условиями.

Ультрабыстрое все-оптическое переключение

Суб-пикосекундные времена переключения результат комбинации ультрабыстрой экситон релаксации, инхерентной органическим полупроводникам, и суб-пикосекундного времени жизни кавити. В нашей установке насосный луч устанавливает адресное состояние, гейтированное контрольным лучом. С контрольной энергией всего 1 пДж, мы достигли максимального коэффициента подавления 17 дБ (отношение интенсивностей «1» к «0») и времени отклика переключения примерно 500 фс.

Наконец, мы продемонстрировали каскадируемость транзистора, реализуя двухстадийную схему усиления. Излучение от конденсата первой стадии было перенаправлено на чип и дополнительно усилито вторым насосом. Используя каскадное усиление, мы также реализовали OR и AND логические гейты, сцепляя три поляритонных транзистора на том же чипе в рамках одной насоса-дважды-пробы конфигурации.

Резюме

Эти эксперименты показывают виброн-медиационную динамическую поляритонную конденсацию в органической микрокавити при окружающих условиях, позволяя все-оптическое усиление, суб-пикосекундное переключение и каскадируемые логические операции. Комбинация надежного, ультрабыстрого переключения и рекордного оптического выигрыша пролагает путь к он-чип, все-оптическим схемам, способным на терагерцовые логические операции. Когда сцепленные с недавними достижениями в сильных поляритон-поляритон взаимодействиях, наблюдаемых в неорганических микрокавити, такие транзисторы могут в конечном счете оперировать с всего несколькими фотонами, толкая энергии переключения в аттоджоуль режимы.

A room‑temperature organic polariton transistor, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt & Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, pages 378–383 (2019)