Transistor Optik Tunggal Ultrafast Suhu Kamar Pertama Membuat Benchmark Baru
Komputer digital modern telah mengubah masyarakat, namun teknologi inti yang mendukungnya masih memiliki ruang yang besar untuk berevolusi. Seiring bertambahnya volume data dan beban kerja AI, permintaan platform komputasi yang lebih canggih dan efisien semakin intens.
Transistor elektronik dan arsitektur von Neumann tetap menjadi dua pilar sistem berbasis silikon saat ini. Dengan memadatkan lebih banyak transistor pada chip yang lebih kecil, kami telah membangun perangkat—smartphone, laptop, server—yang menyediakan daya komputasi yang lebih besar magnitud dibanding komputer awal yang mendaratkan manusia di Bulan. Masih, teknologi ini bukan bab terakhir dalam cerita komputasi.
Dalam beberapa tahun terakhir, minat terhadap komponen dan arsitektur yang sangat berbeda telah muncul kembali, mencakup perangkat keras dioptimalkan AI, komputasi dalam memori dan analog, dan prosesor kuantum. IBM Research selama bertahun-tahun berada di garis depan menjelajahi konsep terobosan seperti ini, mengeksplorasi batas fisika yang dapat membentuk infrastruktur pemrosesan informasi besok.
Sekarang, tim penelitian IBM di Zurich, dalam kolaborasi dengan peneliti di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo (SIST) dan University of Southampton, mengumumkan transistor optik tunggal pertama yang dapat dirakit dan beroperasi pada suhu ambien. Tonggak ini dicapai dengan memanfaatkan properti unik polimer semikonduktor organik—metil-substituted ladder-type poly-[paraphenylene] (MeLPPP)—untuk menciptakan mikroakustik yang memungkinkan satu sinar laser untuk mengalihkan, memperkuat, atau menekan yang lain.
Terobosan ini dihiasi sampul edisi terbaru jurnal peer-reviewed Nature Photonics.
Mengapa Ini Penting
Komponen optik tunggal yang memproses informasi secara eksklusif dengan cahaya menjanjikan perpindahan yang jauh lebih cepat, konsumsi daya yang lebih rendah, dan fungsionalitas baru seperti pengalihan “qubit terbang” untuk komunikasi kuantum atau memungkinkan komputasi kuantum buta. Namun, membangun perangkat seperti ini terbukti sangat sulit, dan pencarian komputer optik tunggal telah mencakup sekitar lima dekade.
Untuk mengalihkan atau memperkuat sinyal optik dengan sinyal optik lain, diperlukan bahan perantara, karena foton dalam vakum tidak berinteraksi. Dalam transistor ini, interaksi dipermudah oleh kuasi-partikel yang disebut eksiton-polariton, yang timbul dalam semikonduktor organik. Lapisan MeLPPP 35 nanometer disandwich di antara dua cermin yang sangat reflektif untuk membentuk rongga optik di mana eksiton-polariton dihasilkan menggunakan laser. Eksiton-polariton adalah hibrid dari pasang elektron-lubang (eksiton) dan foton, menempatkan perangkat ini secara tepat dalam bidang transistor polariton organik yang sedang muncul.
Transistor ini adalah yang pertama dari jenisnya yang beroperasi pada suhu kamar, memberikan penguatan sinyal optik 6.500 kali lipat yang tidak tertandingi dari perangkat hanya beberapa mikrometer panjang. Penguatan ini 330 kali lebih besar daripada yang dicapai dalam setara anorganik, memungkinkan cascadability yang diperlukan untuk operasi logika. Eksperimen juga mengungkapkan gain optik neto tertinggi yang pernah dicatat untuk transistor optik—sekitar 10 dB / µm.
Selain itu, perangkat beralih dalam regime sub-pikosekon, mencapai kecepatan dalam rentang multi-terahertz tanpa perlu pendingin kriogenik—keuntungan besar dibanding sistem optik tunggal sebelumnya.
Pentingnya, transistor polariton organik mengeliminasi keterbatasan praktis yang menghambat desain anorganik: laser pompa dalam mikroakustik anorganik harus datang pada sudut yang tepat untuk memicu transistor. Dalam perangkat organik, laser pompa dapat diarahkan dari hampir setiap sudut, menawarkan fleksibilitas yang tidak tertandingi untuk mengintegrasikan transistor ke dalam sistem serat-pigtailed atau sirkuit on-chip datar.
Bagaimana Kami Melakukannya
Landskap energi keadaan eksiton-polariton didefinisikan oleh beberapa cabang polariton yang timbul dari kopling cahaya-materi yang kuat antara foton rongga dan eksiton. Strategi kami memanfaatkan sifat bosonik eksiton-polariton dan keberadaan mode getaran yang jelas dalam semikonduktor organik untuk merangsang relaksasi lawan-lanjutan eksiton panas ke cabang polariton terendah (keadaan dasar). Jalur relaksasi yang dimediasi oleh getaran ini dirancang untuk mendominasi saluran konversi internal yang bersaing, dan eksperimen mengonfirmasi efektivitasnya.
Mencapai Penguatan yang Benar-Benar Raksasa
Pada langkah pertama, kami menggunakan laser pompa non-resonan untuk menghasilkan densitas tinggi eksiton panas. Panjang gelombang pompa diatur untuk menghasilkan eksiton yang energinya tepat satu kuantum getaran di atas cabang polariton bawah. Mode getaran yang dipilih sesuai dengan gerakan “bernafas” cincin aromatik dalam polimer. Karena eksiton yang sangat terlokalisasi menunjukkan distribusi momentum yang luas, komponen momentum dalam bidang pompa sebagian besar tidak relevan; demikian, pompa dapat diberikan pada hampir setiap sudut, menghindari batasan pencocokan fase yang ketat dari mikroakustik anorganik.
Seiring meningkatnya densitas eksitasi pompa, kami mengamati transisi jelas dari regime linier ke nonlinier, dengan ambang sekitar 82 µJ cm⁻². Dengan mem-benih keadaan polariton dasar dengan sinyal kontrol lemah (≈ 20 nJ cm⁻²—lebih dari tiga orde magnitudo lebih lemah dari pompa non-resonan), kami menurunkan ambang kondensasi hampir dua kali lipat dan meningkatkan laju relaksasi eksiton-ke-polariton sebesar 50 kali lipat dalam kondisi pompa yang sama.
Pengalihan Optik Tunggal Ultrafast
Waktu pengalihan sub-pikosekon berasal dari kombinasi relaksasi eksiton ultrafast yang melekat pada semikonduktor organik dan umur rongga sub-pikosekon. Dalam pengaturan kami, sinar pompa menetapkan keadaan alamat, digate oleh sinyal kontrol. Dengan energi kontrol hanya 1 pJ, kami mencapai rasio kepadatan maksimum 17 dB (rasio tingkat intensitas ‘1’ ke ‘0’) dan waktu respons pengalihan sekitar 500 fs.
Terakhir, kami mendemonstrasikan cascadability transistor dengan mengimplementasikan skema penguatan dua tahap. Emisi dari kondensasi tahap pertama diarahkan kembali ke chip dan diperkuat lebih lanjut oleh pompa kedua. Dengan penguatan rantai, kami juga merealisasikan gerbang logika OR dan AND dengan memasangkan tiga transistor polariton pada chip yang sama dalam konfigurasi pompa-double-probe tunggal.
Ringkasan
Eksperimen ini menunjukkan kondensasi polariton dinamis yang dimediasi oleh getaran dalam mikroakustik organik pada kondisi ambien, memungkinkan penguatan optik tunggal, pengalihan sub-pikosekon, dan operasi logika yang dapat dirakit. Kombinasi pengalihan yang andal dan ultrafast serta gain optik yang mencatat rekor membuka jalan untuk sirkuit on-chip optik tunggal yang mampu operasi logika dengan laju terahertz. Ketika digabungkan dengan kemajuan terbaru dalam interaksi polariton-polariton yang kuat yang diamati dalam mikroakustik anorganik, transistor seperti ini akhirnya dapat beroperasi dengan hanya beberapa foton, mendorong energi pengalihan ke regime attojoule.
Transistor polariton organik suhu kamar, 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)
