Transistor Suhu Ruangan Semua Optik Ultracepat Pertama di Dunia

Sampul Nature Photonics edisi Juni. Gambar:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Desain Sampul:Bethany Vukomanovic

Komputer digital modern telah mengubah hidup kita dalam berbagai cara, tetapi teknologi yang digunakan untuk membuatnya masih memiliki ruang untuk perbaikan. Karena beban kerja komputasi terus bertambah karena sejumlah besar data dan teknik seperti kecerdasan buatan, teknologi komputasi yang lebih kuat menjadi sangat penting.

Dua pilar utama komputer digital modern kita adalah transistor elektronik dan arsitektur komputer von-Neumann. Sementara arsitektur von-Neumann menetapkan pemisahan fisik tugas komputasi seperti penyimpanan dan pemrosesan, transistor adalah blok bangunan mendasar di komputer digital kita. Dengan menjejalkan lebih banyak transistor pada chip yang lebih kecil, kami datang untuk membuat perangkat seperti ponsel cerdas kami dengan daya komputasi yang jauh lebih besar daripada komputer besar yang digunakan NASA untuk mendaratkan manusia pertama di bulan.

Tapi tak satu pun dari penemuan ini dijamin untuk tinggal bersama kita selamanya. Faktanya, dalam beberapa tahun terakhir kita telah menyaksikan kebangkitan minat pada komponen dan arsitektur yang sangat berbeda. Masa depan komputasi dapat terdiri dari perangkat keras yang disesuaikan dengan AI, dalam memori, analog, dan komputasi kuantum. Di IBM, para peneliti telah menjelajahi teknologi baru semacam itu selama bertahun-tahun dan secara luas menyelidiki konsep fisik apa yang dapat dimanfaatkan untuk mendukung infrastruktur pemrosesan informasi kami di masa depan.

IBM Research – Tim Zurich:(dari kiri ke kanan ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Sekarang, tim kami di IBM Research Lab di Zurich bersama dengan mitra kami dari lab penelitian Prof. Pavlos Lagoudakis di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo dan Southampton (kolaborasi yang dibangun dalam kerangka jaringan pelatihan European Horizon-2020 SYNCHRONICS) , telah berhasil membangun transistor all-optik pertama yang dapat mengalir dan mampu beroperasi pada suhu kamar. Tim mencapai ini dengan memanfaatkan sifat material dari polimer semikonduktor organik. Berdasarkan bahan ini, rongga mikro direkayasa di mana sinyal optik yang masuk (sinar laser) dapat dinyalakan dan dimatikan atau diperkuat oleh sinar laser lain.

Karya tersebut ditampilkan di sampul edisi terbaru jurnal Nature Photonics yang ditinjau sejawat.

Mengapa penting

Semua komponen optik yang memanipulasi informasi dengan cahaya saja dapat memungkinkan peralihan dan operasi logis yang jauh lebih cepat serta menyediakan blok bangunan untuk aplikasi baru seperti perutean "qubit terbang" dari transduksi optik gelombang mikro kuantum atau komputasi kuantum buta. Tetapi komponen semua-optik seperti itu sangat sulit untuk dibangun. Dan nyatanya, upaya untuk membuat komputer serba optik telah ada selama sekitar 50 tahun.

Untuk mengalihkan atau memperkuat sinyal optik dengan sinyal optik lain, diperlukan bahan yang memediasi interaksi. Hanya dalam sifat kuantum berkas cahaya bahwa mereka tidak berinteraksi satu sama lain dalam ruang hampa. Di transistor kami, bagian mediasi dilakukan oleh partikel kuasi yang dikenal sebagai exciton-polariton. Mereka muncul dalam semikonduktor organik (poli-[paraphenylene] atau MeLPPP tipe tangga tersubstitusi metil) yang disediakan oleh mitra lama kami Prof. Ullrich Scherf dari Universitas Wuppertal. Kami menempatkan lapisan MeLPPP setipis 35 nanometer di antara dua cermin yang sangat reflektif untuk membentuk rongga optik tempat eksiton-polariton diproduksi menggunakan laser. Exciton-polariton terdiri dari superposisi exciton (pasangan elektron-hole) dan foton. Itu sebabnya perangkat kami termasuk dalam kategori transistor polariton organik.

Pavlos Lagoudakis, Institut Sains dan Teknologi Skolkovo, Universitas dari Southampton

Transistor kami tidak hanya yang pertama dari jenisnya yang bekerja pada kondisi sekitar, tetapi juga menyediakan penguatan sinyal optik 6500 kali lipat yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan panjang perangkat hanya beberapa mikrometer. Itu 330 kali lebih tinggi dari amplifikasi yang dicapai oleh rekan anorganiknya dan memungkinkan kaskadebilitas, yang merupakan kondisi yang diperlukan untuk menggunakan transistor untuk gerbang logika. Dalam percobaan, perangkat kami juga menunjukkan perolehan optik bersih tertinggi yang pernah diamati untuk transistor optik (~10 dB/mikrometer).

Selain itu, transistor kami memiliki fitur peralihan ultracepat dalam rentang sub-pikodetik, yang membuatnya sebanding dalam hal kecepatan peralihan multi-terahertz ke beberapa perangkat optikal sebelumnya dengan keuntungan tambahan bahwa perangkat kami tidak memerlukan pendinginan kriogenik untuk beroperasi.

Yang penting, transistor polariton organik kami menghilangkan batasan lain yang ada dalam rekanan anorganiknya yang relevan untuk tujuan praktis. Dalam rongga mikro polariton anorganik, laser pompa yang digunakan untuk memicu respons transistor harus diarahkan ke perangkat di bawah sudut tertentu saja. Di perangkat organik kami, tidak ada persyaratan khusus pada sudut laser pompa yang memberikan fleksibilitas yang jauh lebih besar dalam geometri pengaturan dan memungkinkan pemasangan pig-tailing serat pada perangkat optik atau membuat sirkuit planar terintegrasi dengannya. Baca terus untuk mengetahui bagaimana kami mencapai ini.

Untuk para ahli:Bagaimana kami melakukannya

  Dalam materi kami, keadaan energi eksiton-polariton diberikan oleh beberapa yang disebut cabang polariton, yang muncul dari interaksi materi cahaya yang kuat dari foton rongga dengan eksiton. Strategi kami terdiri dari penggunaan sifat bosonik dari exciton-polariton dan terjadinya eksitasi vibrasi yang kuat dalam semikonduktor organik kami untuk memicu relaksasi exciton seperti longsoran salju ke cabang polariton terendah (keadaan dasar). Kami mengantisipasi saluran relaksasi yang dimediasi vibron ini menjadi cukup kuat untuk mengungguli beberapa saluran konversi internal dalam materi kami. Dan harapan kami benar-benar dikonfirmasi oleh eksperimen.

Mencapai amplifikasi yang benar-benar besar

Pada langkah pertama, kami menggunakan laser pompa untuk menghasilkan sejumlah besar rangsangan panas. Kami menyetel panjang gelombang laser ini untuk menghasilkan rangsangan dengan energi tepat satu kuantum energi vibronik di atas cabang polariton bawah di rongga mikro kami. Mode vibronik yang kami eksploitasi di sini sesuai dengan "mode pernapasan" di mana unit aromatik berbentuk cincin di dalam polimer menyusut dan mengembang dengan cara yang menyerupai paru-paru pernapasan. Sebagaimana dinyatakan di atas, kita hanya perlu memperhatikan energi foton laser pompa, tetapi bukan komponen momentum dalam bidangnya. Ini dimungkinkan karena penyebaran luas dalam distribusi momentum dari rangsangan yang sangat terlokalisasi dalam materi kami. Itu berarti bahwa persyaratan pencocokan fase yang ketat yang khas dari rongga mikro anorganik tidak relevan dalam sistem kami, dan dapat dipompa di hampir semua sudut.

Dipasang chip kaca melingkar yang berisi mikroresonator optik untuk transistor polariton organik.

Dengan meningkatnya kerapatan eksitasi pompa, kami mengamati transisi dari rezim linier ke non-linier, dengan kerapatan ambang batas sekitar 82 J cm ⁻² . Untuk menurunkan ambang batas dan lebih mempercepat relaksasi rangsangan ke keadaan dasar polariton, kami menyemai keadaan dasar ini dengan balok kontrol. Penyemaian ini terbukti sangat efektif dalam mempercepat proses relaksasi, meskipun kerapatan eksitasi balok kontrol dijaga konstan sekitar 20 nJ cm ⁻² , lebih dari tiga kali lipat lebih lemah dari pompa non-resonansi. Dengan menyemai keadaan polariton dasar, kami mengamati ambang batas yang hampir dua kali lebih rendah untuk kondensasi polariton, sedangkan tingkat relaksasi eksiton ke polariton meningkat dengan faktor 50 di bawah kerapatan eksitasi optik non-resonansi yang sama.

Pengalihan semua optik yang sangat cepat

Waktu peralihan sub-pikodetik dicapai berkat kombinasi dinamika relaksasi eksiton ultracepat, yang melekat pada semikonduktor organik, dan masa pakai rongga sub-pikodetik perangkat kami. Dalam pengaturan kami, balok pompa membentuk status alamat yang dikunci oleh balok kontrol. Menjaga energi switching dari balok kontrol pada 1 pJ, kami mencapai rasio pemadaman maksimum (ditentukan sebagai rasio intensitas antara keadaan '1' dan '0') sebesar 17 dB. Waktu respons untuk beralih di antara dua keadaan logis itu kira-kira 500 femtodetik.

Akhirnya, kami mendemonstrasikan potensi transistor polariton organik untuk kaskade dengan menerapkan amplifikasi kaskade dua tahap. Dalam skema kami, emisi kondensat (Alamat 1) dari tahap pertama diarahkan ke "chip" dan diperkuat lebih lanjut oleh pompa kedua. Lebih lanjut, kami menggunakan konsep amplifikasi bertingkat untuk mendemonstrasikan operasi gerbang logika OR dan AND dengan menggabungkan tiga transistor polariton pada “chip” yang sama menggunakan pengaturan optik probe ganda pompa tunggal.

Anton Baranikov, Institut Sains dan Teknologi Skolkovo dan Anton Zasedatelev, Institut Sains dan Teknologi Skolkovo, Universitas Southampton

Ringkasan

Eksperimen kami menunjukkan kondensasi polariton dinamis yang dimediasi vibron dalam rongga mikro organik pada kondisi sekitar, memungkinkan amplifikasi polariton semua-optik, beralih pada skala waktu sub-pikodetik serta kaskadabilitas dan operasi gerbang logika OR dan AND. Kontrol yang efisien atas status alamat memungkinkan peralihan yang andal antara level logika 'rendah' ​​dan 'tinggi' dengan respons transien ultracepat, sementara penguatan bersih raksasa dari struktur menghasilkan amplifikasi optik yang direkam pada skala mikrometer.

Prinsip-prinsip yang dikembangkan dari kondensasi polariton dinamis dalam kombinasi dengan aliran polariton tanpa gesekan yang baru-baru ini diamati dalam rongga mikro organik [Lerario et al., Nat. fisik. 2017], membuka jalan bagi sirkuit on-chip dengan pengoperasian logika yang sangat cepat, semua optik. Jika seseorang dapat lebih jauh mengeksploitasi interaksi polariton-polariton yang kuat, di mana kemajuan penting baru saja ditunjukkan awal tahun ini dengan rongga mikro anorganik [Delteil et al., Nat. Tikar. 2019 dan Munoz-Matutano et al., Nat. Tikar. 2019], transistor semacam itu akan dapat beroperasi hanya dengan beberapa foton, dan dengan demikian secara drastis menurunkan energi peralihan yang diperlukan ke rezim attojoule.