На первый взгляд может показаться, что фотоны являются идеальной заменой электронов, однако, до сих пор крайне низкая степень взаимодействия между фотонами существенно осложняла построение логических операций. Действительно, какой толк в получении идеальных сигналов на микросхеме, если их нельзя обработать? Для решения этой проблемы ученые Сколтеха и их коллеги из Исследовательского центра IBM в Цюрихе разработали новую структуру на базе органических полупроводников, в которой можно «смешивать» свет и вещество. Свет, попадающий в эту структуру, остается внутри нее и взаимодействует с веществом. В процессе этого взаимодействия образуются так называемые поляритоны, т.е. некий гибрид света (фотоны) и вещества (электроны). Придавая фотонам массу, поляритоны приобретают способность взаимодействовать между собой, что позволяет создавать оптические транзисторы и строить оптическую логику. Представленный исследователями новый полностью оптический поляритонный транзистор обеспечивает сверхвысокую скорость работы и рекордную эффективность.
Показано, что тактовая частота нового транзистора может достигать 2 ТГц, что примерно в 1000 раз выше по сравнению с лучшими традиционным процессором. Если ранее разработки в данном направлении велись в основном в области сверхнизких температур, то с появлением органических полупроводников, способных работать при комнатной температуре, можно уже всерьез говорить о реализации реальных устройств на принципах поляритоники.
Ученые из Сколтеха и исследовательского центра IBM осуществили одновременноеб каскадное подключение 3-х транзисторов для создания полнофункциональных логических вентилей «И» и «ИЛИ и тем самым наглядно продемонстрировав масштабируемость своей технологии. Логический вентиль, являющийся базовым элементом любой цифровой схемы, принимает на каждый из своих двух входов сигнал с уровнем 0 или 1, а на выходе возвращает сигнал 0 или 1 в соответствии с предварительно заданными правилами. Так поляритонный логический вентиль «И» на выходе возвращает 1, только если на обоих входах он принимает уровень сигнала 1, в противном случае вентиль возвращает уровень 0. Тогда как вентиль «ИЛИ» на выходе возвращает 1, если хотя бы на одном из двух входов он принимает сигнал с уровнем 1. При каскадном подключении выход одного транзистора подключают к входам нескольких транзисторов, что приводит к существенным потерям мощности сигнала. Для снижения потерь необходимо значительно усилить входной сигнал таким образом, чтобы на выходе получить сигнал гораздо большей мощности. Это условие является принципиальным требованием для осуществления сложной обработки цифровых сигналов. Исследователи продемонстрировали возможность усиления входного оптического сигнала в 6500 раз и получили рекордно высокие коэффициенты усиления в микромасштабе ‒ до 10 дБ/мкм.
За менее чем три года своего существования группа молодых исследователей под руководством профессора Павлоса Лагудакиса смогла добиться значительных успехов в разработке и демонстрации возможностей сложных фотонных технологий. Аспирант Сколтеха и соавтор исследования Антон Бараников отмечает: «Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой я и остальные члены нашей группы трудились днем и ночью». Научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Антон Заседателев добавляет: «Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха ‒ это уникальное сочетание почти неограниченных экспериментальных возможностей – высококлассного, передового оборудования и команды молодых, талантливых, мотивированных исследователей. В этом состоит успех этой работы! Думаю, однажды фотонные процессоры работающие со скоростью света станут для нас такой же реальность, какой сегодня для нас является оптическая связь».
Подробнее здесь.
Новый поляритонный транзистор. f = 2 ТГц.
