Oamenii de știință ruși au confirmat experimental că nanocristalele de fosfură de galiu pot fi folosite pentru a crea microcipuri în computerele fotonice. Aceste mașini vor fi mult mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic decât electronicele, motiv pentru care dezvoltatorii din întreaga lume se chinuie să le creeze. Specialiștii ruși se așteaptă să asambleze primele mostre de lucru de microcircuite bazate pe fotoni în următorii câțiva ani. Potrivit experților, munca depusă de oamenii de știință își va găsi cu siguranță aplicație practică, dar este important ca realizările obținute în laboratoare să poată fi repetate în producția în serie a calculatoarelor fundamental noi.
Lumină în detalii
Fizicienii MIPT au găsit un material care este cel mai potrivit pentru crearea de microcircuite optice care funcționează prin transmiterea particulelor de lumină - fotonii. Ei au efectuat o serie de experimente care au arătat că proprietățile fizice ale nanocristalelor de fosfură de galiu (GaP) fac posibilă transformarea lor în cele mai simple elemente ale unui viitor computer fotonic.
De exemplu, GaP are un indice de refracție ridicat. Aceasta înseamnă că lumina cu o lungime de undă mică se propagă bine prin cristalele nanodimensionate ale acestui material. Acest lucru vă permite să faceți cele mai miniaturale componente optice din el. Pe baza datelor obținute, oamenii de știință au calculat grosimea minimă a cristalului pentru a transmite un semnal luminos de o culoare sau alta.
- Pentru a realiza un calculator care sa functioneze pe semnale luminoase este necesar sa se creeze mici elemente optice care alcatuiesc microcircuitele acestuia. Adică, trebuie să potrivim lumina în elemente foarte mici. Acest lucru necesită un material cu un indice de refracție ridicat și pierderi optice scăzute în timpul transmisiei luminii. Fosfura de galiu s-a dovedit a fi una dintre cele mai promițătoare în acest sens”, a declarat Alexei Bolshakov, șeful Laboratorului de Nanomateriale funcționale la Centrul pentru Fotonică și Materiale Bidimensionale al Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova.
Toate calculele din calculatoarele moderne sunt efectuate datorită mișcării electronilor prin elementele microcircuitelor, în principal tranzistoare. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, tranzistorii ar putea fi din ce în ce mai mici - până la câțiva nanometri. Datorită acestui fapt, câteva miliarde de astfel de dispozitive pot fi plasate într-un singur computer.
Cu toate acestea, oamenii de știință notează că tehnologiile cu tranzistori s-au apropiat de limita lor - nu va fi posibil să le facă și mai mici, deoarece efectele cuantice încep deja să interfereze cu activitatea lor. În plus, viteza dispozitivelor electronice este limitată de viteza electronilor. Fotonii se mișcă mult mai repede. Dar principalul lor avantaj față de electronică este pierderea redusă de energie în timpul propagării. Acest lucru determină consumul lor scăzut de energie. Potrivit experților, acesta poate fi cu câteva ordine de mărime mai mic. Din acest motiv, cei mai buni specialiști din întreaga lume se luptă să implementeze ideea unui computer optic.
fire de lumină
O componentă necesară a viitoarelor microcircuite ale unui computer fotonic va fi un ghid de undă - adică un canal de-a lungul căruia se va mișca un semnal luminos, trecând de la un element logic la altul. Experimentele au arătat că grosimea minimă a unui astfel de „sârmă ușor” de fosfură de galiu este de 108 nanometri, ceea ce este suficient pentru a crea primele mostre experimentale de microcircuite.
De asemenea, în munca lor, oamenii de știință au arătat că ghidurile de undă GaP pot fi îndoite foarte puternic și, în același timp, continuă să conducă lumina. Datorită acestui fapt, din ele pot fi realizate elemente mai complexe, cum ar fi splitterele care separă sau combină fluxurile de lumină.
- Cel mai simplu splitter este două cristale sub formă de fir, care se află unul lângă altul. Am trimis un fascicul de lumină într-una dintre ele. S-a dovedit că semnalul luminos s-a propagat atât de-a lungul ghidului de undă, în care l-am trimis, cât și în cel din apropiere, deși nu sunt conectați mecanic”, a spus Alexei Bolshakov.
Acest efect va face posibilă în viitor realizarea unor elemente optice mai complexe care să filtreze doar o parte din fluxul de lumină cu o anumită lungime de undă (separare spectrală) dintr-un flux de lumină și să creeze elemente logice luminoase care vor înlocui tranzistoarele electronice, MIPT-ul. explicat.
Oamenii de știință intenționează să dezvolte surse de lumină miniaturală care să se potrivească cu dimensiunea ghidurilor de undă și a divizoarelor. Conform ipotezei lor, aceleași nanocristale de oxid de galiu pot fi folosite pentru aceasta dacă sunt modificate cu alte substanțe, cum ar fi arsenul. Experții plănuiesc să primească primele microcircuite simple bazate pe noi principii în următorii câțiva ani.
Ca o țeavă într-o țeavă de apă
— Este important ca autorii să prezinte un prototip al unei perechi optice de două nanofire GaP și să implementeze separarea spectrală a semnalului. Sunt demonstrate limitele rezistenței mecanice, ceea ce este necesar pentru a crea circuite logice reale pe ghiduri de micro și nanounde. De fapt, este prezentată performanța unuia dintre nodurile cheie ale circuitelor logice fotonice. Dezvoltarea are un potențial practic ridicat pentru sistemele de calcul de ultimă generație”, a declarat Danila Saranin, șeful laboratorului avansat de energie solară la NUST MISIS.
Cercetările privind ghidurile de undă au loc de mult timp. Este posibil ca utilizarea fosfurei de galiu să fie într-adevăr justificată din punct de vedere tehnologic, a explicat pentru Izvestia Petr Fedorov, profesor asociat la Institutul SPINTech NRU MIET. Cu toate acestea, potrivit lui, cel mai important lucru într-un microcircuit nu este un element conductor, ci unul logic - un tranzistor. Ghidul de undă joacă același rol ca o conductă într-un sistem de alimentare cu apă. De la schimbarea dimensiunii sale, nimic nu se va schimba fundamental în întregul sistem.
„Cu toate acestea, capacitatea de a filtra lumina folosind nanocristale de fosfură de galiu, care deschide noi perspective în crearea exact a componentelor logice ale unui microcircuit, este un rezultat excelent al muncii științifice. Dar principala întrebare care apare după succesele de laborator este dacă este posibil să se obțină aceleași rezultate chiar și cu producția la scară mică. Dacă fosfura de galiu oferă acest lucru, atunci va fi folosit în practică”, a spus Petr Fedorov.
Lucrarea a fost realizată în colaborare cu Universitatea Alferov, ITMO, HSE și Universitatea de Stat din Erevan, cu sprijinul Fundației Ruse pentru Știință.
