Первый в мире сверхбыстрый полностью оптический транзистор для комнатной температуры

Обложка июньский номер журнала Nature Photonics. Изображение:Антон В. Заседателев, Сколтех. Дизайн обложки:Бетани Вукоманович

Современные цифровые компьютеры изменили нашу жизнь множеством способов, но технологии, на которых они построены, все еще нуждаются в улучшении. Поскольку вычислительные нагрузки продолжают расти из-за огромных объемов данных и таких методов, как искусственный интеллект, более мощные вычислительные технологии приобретают первостепенное значение.

Двумя основными столпами наших современных цифровых компьютеров являются электронный транзистор и компьютерная архитектура фон-Неймана. Хотя архитектура фон-Неймана установила физическое разделение вычислительных задач, таких как хранение и обработка данных, транзисторы являются фундаментальными строительными блоками в наших цифровых компьютерах. Запихивая все больше транзисторов во все меньшие микросхемы, мы пришли к созданию таких устройств, как наши смартфоны, с вычислительной мощностью на порядки большей, чем большие компьютеры, которые НАСА использовало для высадки первых людей на Луну.

Но ни одно из этих изобретений не останется с нами навсегда. Фактически, в последние годы мы стали свидетелями возрождения интереса к совершенно другим компонентам и архитектурам. Будущее вычислений может включать аппаратное обеспечение, адаптированное к ИИ, в памяти, аналоговые и квантовые вычисления. В IBM исследователи изучают такие новые технологии в течение многих лет и широко изучают, какие физические концепции можно использовать для создания нашей будущей инфраструктуры обработки информации.

Исследовательская группа IBM - Цюрих:(слева направо ) Фабио Скафиримуто, Тило Стеферле, Дариус Урбонас, Райнер Махрт

Теперь наша команда в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе вместе с нашими партнерами из исследовательской лаборатории профессора Павлоса Лагудакиса в Сколковском институте науки и технологий и Саутгемптоне (сотрудничество, созданное в рамках учебной сети European Horizon-2020 SYNCHRONICS) , удалось создать первый в истории каскадный полностью оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Команда достигла этого, используя свойства материала органического полупроводникового полимера. На основе этого материала был спроектирован микрополость, в которой входящий оптический сигнал (лазерный луч) может включаться и выключаться или усиливаться другим лазерным лучом.

Работа размещена на обложке последнего выпуска рецензируемого журнала Nature Photonics.

Почему это важно

Полностью оптические компоненты, которые манипулируют информацией только с помощью света, могут обеспечить гораздо более быструю коммутацию и логические операции, а также предоставить строительные блоки для новых приложений, таких как маршрутизация «летающих кубитов» из квантового микроволнового оптического преобразования или слепых квантовых вычислений. Но такие полностью оптические компоненты построить очень сложно. Фактически, создание полностью оптических компьютеров ведется уже около 50 лет.

Чтобы переключить или усилить оптический сигнал другим оптическим сигналом, необходим материал, который опосредует взаимодействие. Просто квантовая природа световых лучей заключается в том, что они не взаимодействуют друг с другом в вакууме. В нашем транзисторе посредником являются квазичастицы, известные как экситон-поляритоны. Они возникают в органическом полупроводнике (метилзамещенный поли [парафенилен] лестничного типа или MeLPPP), предоставленный нашим давним партнером профессором Ульрихом Шерфом из Вуппертальского университета. Мы поместили слой MeLPPP толщиной 35 нанометров между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью, чтобы сформировать оптический резонатор, в котором с помощью лазера создавались экситон-поляритоны. Экситон-поляритон представляет собой суперпозицию экситона (электронно-дырочной пары) и фотона. Поэтому наше устройство относится к категории органических поляритонных транзисторов.

Павлос Лагоудакис, Сколковский институт науки и технологий, университет Саутгемптона

Наш транзистор не только является первым в своем роде, работающим в условиях окружающей среды, но и обеспечивает беспрецедентное усиление оптического сигнала в 6500 раз при длине устройства всего в несколько микрометров. Это в 330 раз выше, чем усиление, достигаемое его неорганическим аналогом, и обеспечивает возможность каскадирования, что является необходимым условием использования транзистора для логических вентилей. В экспериментах наше устройство также показало самое высокое чистое оптическое усиление, когда-либо наблюдавшееся для оптического транзистора (~ 10 дБ / микрометр) .

Кроме того, наш транзистор имеет сверхбыстрое переключение в субпикосекундном диапазоне, что делает его сопоставимым с точки зрения скорости переключения нескольких терагерц с некоторыми предыдущими полностью оптическими устройствами с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что нашему устройству не требуется криогенное охлаждение для работы. / P>

Важно отметить, что наш органический поляритонный транзистор избавляется от другого ограничения, присущего его неорганическим аналогам, которое имеет значение для практических целей. В неорганических поляритонных микрорезонаторах лазер накачки, используемый для запуска отклика транзистора, должен быть направлен на устройство только под определенными углами. В нашем органическом устройстве нет особых требований к углу наклона лазера накачки, что дает гораздо большую гибкость в геометрии настройки и позволяет соединять оптоволокно с оптическим устройством или создавать с его помощью интегральные планарные схемы. Читайте дальше, чтобы узнать, как мы этого добились.

Для экспертов:как мы это сделали

В нашем материале энергетические состояния экситон-поляритонов задаются несколькими так называемыми поляритонными ветвями, которые возникают в результате сильного взаимодействия света и вещества фотонов резонатора с экситонами. Наша стратегия заключалась в использовании бозонной природы экситон-поляритонов и возникновении сильных колебательных возбуждений в нашем органическом полупроводнике для запуска лавинообразной релаксации экситонов на низшую поляритонную ветвь (основное состояние). Мы ожидали, что этот канал релаксации, опосредованный вибронами, будет достаточно сильным, чтобы превзойти многочисленные внутренние каналы преобразования в нашем материале. И наши ожидания полностью подтвердились экспериментами.

Достижение поистине гигантского усиления

На первом этапе мы использовали лазер накачки для создания большой популяции горячих экситонов. Мы настроили длину волны этого лазера, чтобы произвести экситоны с энергией ровно на один вибронный квант энергии выше нижней поляритонной ветви в нашем микрорезонаторе. Вибронный режим, который мы использовали здесь, соответствует «режиму дыхания», в котором кольцевые ароматические звенья внутри полимера сжимаются и расширяются так, как будто они дышат легкими. Как указывалось выше, нам нужно было заботиться только об энергии фотонов лазера накачки, но не об их компоненте импульса в плоскости. Это возможно из-за большого разброса импульсного распределения сильно локализованных экситонов в нашем материале. Это означает, что строгие требования к фазовому согласованию, типичные для неорганических микрополостей, не имеют отношения к нашей системе, и ее можно накачивать практически под любым углом.

Установленный круглый стеклянный чип, содержащий оптический микрорезонатор для органический поляритонный транзистор.

С увеличением плотности возбуждения накачки мы наблюдали переход от линейного к нелинейному режиму с пороговой плотностью примерно 82 мкДж см ⁻² . . Чтобы снизить порог и еще больше ускорить релаксацию экситонов в основное состояние поляритона, мы засеяли это основное состояние контрольным пучком. Эта затравка оказалась очень эффективной для ускорения процесса релаксации, несмотря на то, что плотность возбуждения контрольного пучка поддерживалась постоянной на уровне около 20 нДж см ⁻² , более чем на три порядка слабее нерезонансной накачки. Посредством заполнения основного поляритонного состояния мы наблюдали почти вдвое более низкий порог для конденсации поляритонов, в то время как скорость релаксации экситона в поляритон увеличивалась в 50 раз при той же нерезонансной оптической плотности возбуждения.

Сверхбыстрая полностью оптическая коммутация

Субпикосекундное время переключения было достигнуто благодаря сочетанию сверхбыстрой динамики релаксации экситонов, присущей органическим полупроводникам, и субпикосекундного срока службы резонатора нашего устройства. В нашей установке луч накачки формировал адресное состояние, которое стробировалось управляющим лучом. Сохраняя энергию переключения управляющего луча на уровне 1 пДж, мы достигли максимального коэффициента экстинкции (определяемого как отношение интенсивностей между состоянием «1» и «0») 17 дБ. Время отклика для переключения между двумя логическими состояниями составляло примерно 500 фемтосекунд.

Наконец, мы продемонстрировали потенциал органических поляритонных транзисторов для каскадности путем реализации двухкаскадного каскадного усиления. В нашей схеме выброс конденсата (Адрес 1) первой ступени перенаправляется на «микросхему» и далее усиливается вторым насосом. Кроме того, мы использовали концепцию каскадного усиления, чтобы продемонстрировать работу логического элемента ИЛИ и И путем соединения трех поляритонных транзисторов на одной «микросхеме» с использованием оптической схемы с одним двойным пробником накачки.

Антон Бараников, Сколковский институт науки и технологий, и Антон Заседателев, Сколковский институт науки и технологий, Саутгемптонский университет

Резюме

Наши эксперименты демонстрируют опосредованную вибронами динамическую конденсацию поляритонов в органической микрополости в условиях окружающей среды, обеспечивая полностью оптическое усиление поляритонов, переключение в субпикосекундных временных масштабах, а также возможность каскадирования и работу логического элемента ИЛИ и И. Эффективный контроль над состоянием адреса позволяет надежно переключаться между «низким» и «высоким» логическими уровнями со сверхбыстрой переходной характеристикой, в то время как гигантское чистое усиление структуры позволяет регистрировать оптическое усиление в микрометровом масштабе.

Разработанные принципы динамической конденсации поляритонов в сочетании с недавно обнаруженным потоком поляритонов без трения в органических микрополостях [Lerario et al., Nat. Phys. 2017], открывая путь к созданию схем на кристалле со сверхбыстрым, полностью оптическим и логическим функционалом. Если бы еще можно было использовать сильные поляритон-поляритонные взаимодействия, где в начале этого года только что был продемонстрирован важный прогресс в области неорганических микрополостей [Delteil et al., Nat. Мат. 2019 и Munoz-Matutano et al., Nat. Мат. 2019], такие транзисторы смогут работать всего с несколькими фотонами, что резко снизит требуемую энергию переключения в аттоджоульный режим.

<час />

Органический поляритонный транзистор, работающий при комнатной температуре Антон В. Заседателев, Антон В. Бараников, Дариус Урбонас, Фабио Скафиримуто, Ульрих Шерф, Тило Стёферле, Райнер Ф. Махрт и Павлос Г. Лагудакис, Nature Photonics, том 13, страницы 378–383 (2019)