טרנזיסטורים אופטיים - עתיד האלקטרוניקה

כמעט כל הטכנולוגיות, למרות שהן נוטות להתפתח, מתיישנות בסופו של דבר. דפוס זה לא עקף את האלקטרוניקה הסיליקון. קל לשים לב שבשנים האחרונות התקדמותה האטה משמעותית ובאופן כללי שינתה את כיוון התפתחותה.

מספר הטרנזיסטורים במיקרו-שבבים כבר לא מכפיל את עצמו כל שנתיים, כפי שהיה לפני כן. והיום, ביצועי המחשב הולכים וגדלים לא על ידי הגדלת תדירות ההפעלה שלהם, אלא על ידי הגדלת מספר הליבות במעבד, כלומר על ידי הרחבת היכולות לפעולות מקבילות.

זה לא סוד ששום מחשב מודרני בנוי ממיליארדי קטנים טרנזיסטוריםהמייצג התקני מוליכים למחצה המוליכים זרם חשמלי כאשר מופעל אות בקרה.

אך ככל שהטרנזיסטור קטן יותר, כך בולטות ההשפעות וההדלפות המזויינות המפריעות לפעילותו הרגילה, ומהוות מכשול ביצירת מכשירים קומפקטיים ומהירים עוד יותר.

גורמים אלה קובעים את המגבלה הבסיסית במזעור גודל הגודל של הטרנזיסטור, ולכן טרנזיסטור סיליקון, באופן עקרוני, לא יכול להיות בעובי של יותר מחמישה ננומטר.

הסיבה הפיזית נעוצה בעובדה שאלקטרונים העוברים במוליך למחצה מבזבזים את האנרגיה שלהם פשוט מכיוון שחלקיקים טעונים אלה הם בעלי מסה. וככל שהתדירות של המכשיר נעשית גבוהה יותר, כך אובדן האנרגיה בה גדל.

עם ירידה בגודל האלמנט, למרות שניתן להפחית הפסדי אנרגיה בצורת חום, לא ניתן למנוע את השפעת המבנה האטומי. בפועל, המבנה האטומי עצמו מתחיל להפוך למכשול, מכיוון שגודל האלמנט שהושג עד היום של 10 ננומטר, ניתן להשוות לפי סדר גודל עם מאה אטומי סיליקון בלבד.

אלקטרונים מחליפים פוטונים

אבל מה אם אתה מנסה להשתמש לא זרם, אלא קל? אחרי הכל, לפוטונים, בניגוד לאלקטרונים, אין מטען ולא מסת מנוחה, ובו זמנית הם החלקיקים המהירים ביותר. יתר על כן, הזרימות שלהם באורכי גל שונים לא יפריעו זה לזה במהלך פעולה סינכרונית.

כך, עם המעבר לטכנולוגיות אופטיות בתחום ניהול המידע, ניתן היה להשיג יתרונות רבים על פני מוליכים למחצה (כאשר חלקיקים טעונים כבדים עוברים דרכם).

מידע שנשלח באמצעות קרן אור יכול להיות מעובד ישירות בתהליך העברתו, והוצאות האנרגיה לא היו משמעותיות כמו בעת העברתם באמצעות מטען חשמלי נע. וחישובים מקבילים יתאפשרו על ידי הגלים המופעלים באורכים שונים, ועבור המערכת האופטית, שום הפרעה אלקטרומגנטית לא תהיה חסרת פחד.

היתרונות הברורים של המושג האופטי על פני זה החשמלי משכו זה מכבר את תשומת לבם של המדענים. אולם כיום אופטיקה למחשוב נותרת ברובה היברידית, כלומר שילוב של גישות אלקטרוניות ואופטיות.

אגב מחשב האופטו האלקטרוניקה האוטוטייפ הראשון נוצר כבר בשנת 1990 על ידי מעבדות Bell, ובשנת 2003 Lenslet הכריזה על המעבד האופטי המסחרי EnLight256, שמסוגל לבצע עד 8,000,000,000 פעולות על מספר שלם של 8 סיביות לשנייה (8 טרה-אפ). אך למרות הצעדים שכבר ננקטו בכיוון זה, עדיין נותרו שאלות בתחום האלקטרוניקה האופטית.

אחת השאלות הללו הייתה כדלקמן. מעגלים לוגיים מרמזים על התשובה "1" או "0" תלוי אם התרחשו שני אירועים - B ו- A.אך פוטונים אינם מבחינים זה בזה, והתגובה של המעגל צריכה להיות תלויה בשתי קרני אור.

היגיון הטרנזיסטור, הפועל עם זרמים, עושה זאת בקלות. ויש הרבה שאלות דומות. לכן, עדיין אין מכשירים אופטיים אטרקטיביים מבחינה מסחרית המבוססים על היגיון אופטי, אם כי חלו התפתחויות מסוימות. אז, בשנת 2015, מדענים מהמעבדה לננו-פוטוניקה וחומרים מטמטיים של אוניברסיטת ITMO הדגימו בניסוי את האפשרות לייצר טרנזיסטור אופטי מהירהמורכב רק מננו-חלקיק סיליקון אחד.

עד היום מהנדסים ומדענים ממוסדות רבים עובדים על הבעיה של החלפת סיליקון בחלופות: הם מנסים גרפן, מוליבדן דיסולפיד, חושבים על שימוש בספינים של חלקיקים וכמובן - על אור, כדרך חדשה מיסודה להעברת ואחסון מידע.

האנלוגי הקליל של הטרנזיסטור הוא המושג החשוב ביותר, אשר מורכב בעובדה שאתה זקוק למכשיר שיכול לעבור באופן סלקטיבי לעבור או לא לעבור פוטונים. בנוסף, רצוי מפצל אשר יכול לפרק את הקורה לחלקים ולהוציא ממנה רכיבי אור מסוימים.

יש כבר אבות טיפוס, אבל יש להם בעיה - הגדלים שלהם ענקיים, הם דומים יותר לטרנזיסטורים מאמצע המאה שעברה, אז עידן המחשבים רק התחיל. הקטנת גודל טרנזיסטורים ומפצלים כאלה אינה משימה קלה.

התגבר על מכשול בסיסי

ובינתיים בתחילת 2019, מדענים ממעבדת הצילום ההיברידית Skolteha יחד עם עמיתים מיבמ, הצליחו עדיין לבנות את הטרנזיסטור האופטי הראשון המסוגל לפעול בתדר של 2 THz ובו זמנית לא לדרוש קירור לאפס מוחלט.

התוצאה הושגה באמצעות מערכת אופטית מורכבת ביותר, שנוצרה על ידי העבודה הארוכה והקפדנית של הצוות. ועכשיו ניתן לומר שמעבדים פוטוניים המבצעים פעולות במהירות האור הם, באופן עקרוני, אמיתיים, אמיתיים כמו תקשורת סיב אופטית.

הצעד הראשון נעשה! טרנזיסטור אופטי מיניאטורי שאינו דורש קירור ומסוגל לעבוד אלפי פעמים מהר יותר מאשר נוצר אבותיו המוליכים למחצה האלקטרוניים.

כפי שצוין לעיל, אחת הבעיות הבסיסיות ביצירת אלמנטים למחשבי אור הייתה שפוטונים אינם מתקשרים זה בזה, וקשה ביותר לשלוט על תנועת חלקיקי האור. עם זאת, מדענים גילו כי ניתן לטפל בבעיה על ידי פנייה למה שמכונה הפוליטונים.

פולריטון - אחד החלקיקים הווירטואליים שנוצרו לאחרונה, כמו פוטון, ומסוגל להציג את המאפיינים של גלים וחלקיקים. פולטרון כולל שלושה רכיבים: מהוד אופטי, המורכב מזוג מראות מחזירי אור, שביניהם כלוא גל אור, וכן באר קוונטית. באר קוונטית מיוצגת על ידי אטום שאלקטרון מסתובב סביבו, מסוגל לפלוט או לקלוט קוונטית של אור.

בניסויים הראשונים, הקוטב החלקיקים quasiparticle הראה את עצמו במלוא הדרו, והראה כי ניתן להשתמש בו כדי ליצור טרנזיסטורים ואלמנטים לוגיים אחרים של מחשבים קלים, אך היה מינוס רציני אחד - עבודה הייתה אפשרית רק בטמפרטורות אולטרה-קרביות ליד אפס מוחלט.

אבל מדענים פתרו את הבעיה הזו. הם למדו כיצד ליצור פולריטונים לא במוליכים למחצה, אלא באנלוגים אורגניים של מוליכים למחצה, ששמרו על כל המאפיינים הדרושים גם בטמפרטורת החדר.

לתפקיד של חומר כזה פוליפרפנילן - פולימר שהתגלה לאחרונה, הדומה לאלה המשמשים בייצור קבלר ומגוון צבעים.

בזכות מכשיר מיוחד, מולקולות פוליפרפנילן יכולות אפילו לייצר אזורים מיוחדים בתוכם שיכולים לבצע את הפונקציה של באר קוונטית של פולריטון קלאסי שבתוכם.

לאחר שסגרו סרט של פוליפרפרנילן בין שכבות של חומרים אורגניים, מדענים מצאו דרך לשלוט במצב של באר קוונטית על ידי אילוץ של שני סוגים שונים של לייזרים ולגרום לו לפלוט פוטונים.

אב הטיפוס הניסוי של הטרנזיסטור הדגים את היכולת לתעד מיתוג והגברה מהירה של אות האור במינימום צריכת אנרגיה.

שלושה מהטרנזיסטורים הללו כבר אפשרו לחוקרים להרכיב גופי תאורה לוגיים ראשוניםלשכפל את הפעולות "AND" ו- ​​"OR". התוצאה של הניסוי מרמזת כי הדרך ליצירה מחשבים קלים- חסכוני, מהיר וקומפקטי - סוף סוף פתוח.