Transistors òptics: el futur de l'electrònica

Gairebé totes les tecnologies, tot i que tendeixen a desenvolupar-se, acaben obsoletes. Aquest patró no va obviar l'electrònica de silici. És fàcil notar que en els darrers anys el seu progrés ha minvat notablement i en general ha canviat la direcció del seu desenvolupament.

El nombre de transistors en microxips ja no es duplica cada dos anys, com era abans. I avui, el rendiment de l’ordinador augmenta no augmentant la seva freqüència de funcionament, sinó augmentant el nombre de nuclis del processador, és a dir, ampliant les capacitats per a operacions paral·leles.

No és cap secret que cap ordinador modern es construeixi a partir de milers de milions de petits transistorsque representa els dispositius semiconductors que condueixen el corrent elèctric quan s’aplica un senyal de control.

Però, com més petit és el transistor, més acusats són els efectes i les fuites espurioses que interfereixen en el seu funcionament normal i constitueixen un obstacle per crear dispositius encara més compactes i ràpids.

Aquests factors determinen el límit fonamental de la miniaturització de la mida del transistor, de manera que un transistor de silici, en principi, no pot tenir un gruix superior a cinc nanòmetres.

La raó física rau en el fet que els electrons que es mouen a través d’un semiconductor malgasten la seva energia simplement perquè aquestes partícules carregades tenen massa. I com més gran és la freqüència del dispositiu, més gran serà la pèrdua d’energia en ell.

Amb una disminució de la mida de l’element, tot i que es poden reduir les pèrdues d’energia en forma de calor, no es pot evitar la influència de l’estructura atòmica. A la pràctica, la pròpia estructura atòmica comença a convertir-se en un obstacle, ja que la mida d’elements aconseguits fins avui de 10 nanòmetres és comparable per ordre de magnitud amb només un centenar d’àtoms de silici.

Els electrons estan substituint els fotons

Però, i si s’intenta utilitzar no actual, sinó llum? Al cap i a la fi, els fotons, a diferència dels electrons, no tenen massa de càrrega ni de repòs i, alhora, són les partícules més ràpides. A més, els seus fluxos a diferents longituds d'ona no interfereixen entre ells durant el funcionament sincrònic.

Així, amb la transició a les tecnologies òptiques en l’àmbit de la gestió de la informació, es podrien obtenir molts avantatges sobre els semiconductors (amb partícules carregades pesades que es mouen a través d’aquests).

La informació enviada mitjançant un feix de llum es podia processar directament en el procés de transmissió i les despeses energètiques no serien tan importants com quan es transmeten per una càrrega elèctrica en moviment. I els càlculs paral·lels serien possibles mitjançant les ones aplicades de diferents longituds, i per al sistema òptic, cap interferència electromagnètica seria fonamentalment sense por.

Els avantatges evidents del concepte òptic respecte a l’elèctric han atret des de fa temps l’atenció dels científics. Però avui en dia, la computació òptica segueix sent en gran mesura híbrida, és a dir, combinar enfocaments electrònics i òptics.

Per cert El primer prototip optoelectrònic va ser creat el 1990 per Bell Labs, i el 2003 Lenslet va anunciar el primer processador òptic comercial EnLight256, capaç de realitzar fins a 8.000.000.000 d’operacions en nombres enters de 8 bits per segon (8 teraop). Però, malgrat els passos ja realitzats en aquesta direcció, encara es van mantenir preguntes en matèria d’electrònica òptica.

Una d’aquestes preguntes va ser la següent. Els circuits lògics impliquen la resposta “1” o “0” segons si s’han produït dos esdeveniments: B i A.Però els fotons no es noten, i la resposta del circuit hauria de dependre de dos raigs de llum.

La lògica del transistor, que funciona amb corrents, ho fa fàcilment. I hi ha moltes preguntes similars. Per tant, encara no hi ha dispositius òptics comercials atractius basats en la lògica òptica, tot i que hi ha hagut alguns avenços. Així, el 2015, científics del laboratori de nanofotònica i metamaterials de la ITMO University van demostrar en un experiment la possibilitat de fabricar transistor òptic ultra ràpidformat per una sola nanopartícula de silici.

A dia d’avui, enginyers i científics de moltes institucions estan treballant en el problema de substituir el silici per alternatives: ho estan intentant grafene, el disulfur de molibdè, estan pensant en l'ús de rotacions de partícules i, per descomptat, sobre la llum, com una forma fonamentalment nova de transmetre i emmagatzemar informació.

L’analògic lleuger del transistor és el concepte més important, que consisteix en el fet que necessiteu un dispositiu que pugui passar o no passar fotons de forma selectiva. A més, és desitjable un divisor que pot trencar el feix en parts i eliminar-ne certs components lleugers.

Els prototips ja existeixen, però tenen un problema: les seves mides són gegants, s’assemblen més a transistors de mitjan segle passat, quan l’era de l’ordinador tot just començava. No és una tasca fàcil reduir la mida d’aquests transistors i separadors.

Obstacle fonamental superat

I mentrestant A principis del 2019, científics del laboratori de fotònica híbrida de Skolteha, juntament amb col·legues d’IBM, van aconseguir, però, construir el primer transistor òptic capaç de funcionar a una freqüència de 2 THz i al mateix temps, no requereix cap refrigeració a zero absolut.

El resultat es va obtenir mitjançant el sistema òptic més complex, que va ser creat per la llarga i acurada feina de l’equip. I ara podem dir que els processadors fotònics que realitzen operacions a la velocitat de la llum són, en principi, reals, tan reals com la comunicació de fibra òptica.

El primer pas s’ha fet! Un transistor òptic en miniatura que no necessita refrigeració i és capaç de funcionar mil vegades més ràpidament que s’ha creat el seu avantpassat de semiconductors electrònics.

Com s'ha apuntat anteriorment, un dels problemes fonamentals en la creació d'elements per a ordinadors lleugers era que els fotons no interaccionen entre ells, i és extremadament difícil controlar el moviment de les partícules de llum. Tot i això, els científics han trobat que el problema es pot abordar recorrent als anomenats polaritons.

Polariton - Una de les partícules virtuals creades recentment, com un fotó, capaç d'exposar les propietats de les ones i les partícules. El polaritó inclou tres components: un ressonador òptic, format per un parell de miralls reflectors, entre els quals es troba empresonada una ona de llum, així com un pou quàntic. Un pou quàntic està representat per un àtom amb un electró que gira al seu voltant, capaç d'emetre o absorbir una quantitat de llum.

En els primers experiments, el polaritó quasipartícula es va mostrar amb tota la seva glòria, demostrant que es pot utilitzar per crear transistors i altres elements lògics d'ordinadors lleugers, però hi va haver un menys menys - el treball només era possible a temperatures ultralowes properes al zero absolut.

Però els científics han resolt aquest problema. Van aprendre a crear polaritons no en semiconductors, sinó en anàlegs orgànics de semiconductors, que van conservar totes les propietats necessàries fins i tot a temperatura ambient.

Pel paper de tal substància polifrapilè - un polímer recent descobert, similar als que s’utilitzen en la producció de Kevlar i diversos colorants.

Gràcies a un dispositiu especial, les molècules de polifenilè poden fins i tot generar zones especials dins de si mateixes que poden complir la funció d’un pou quàntic d’un polaritó clàssic dins d’elles mateixes.

Després d’haver tancat una pel·lícula de polifenilè entre capes de materials inorgànics, els científics han trobat una manera de controlar l’estat d’un pou quàntic i obligar-lo a emetre fotons mitjançant l’acció làser de dos tipus diferents.

Un prototip experimental del transistor va demostrar la capacitat de registrar la commutació ràpida i l'amplificació del senyal de llum amb un consum mínim d'energia.

Tres d’aquests transistors ja han permès muntar investigadors primers accessoris d’il·luminació lògicareproduint les operacions "I" i "O". El resultat de l'experiment suggereix que el camí cap a la creació ordinadors lleugers- econòmic, ràpid i compacte, finalment obert.