新型“晶体管”:高性能、低功耗

文|陈根

目前,大多数现代电子晶体管都需要数十倍的能量才能完成切换,而单电子方案又较高效晶体管要慢得多。可与之竞争的节能型电子晶体管需要庞大的冷却装置提供支撑,额外的能源开销又严重影响到了运营成本。作为对比,新型单光子非线性“光开关”却能够在室温下轻松运行。

光子是自然界中存在的最小的光粒子,是传递电磁相互作用的基本粒子,也是一种规范玻色子,除了功耗之外没有太大弊端。近日,由斯科尔沃(Skoltech)和 IBM 带领的一支国际研究团队,开发了一种十分节能的“光开关”(Optical Switch)。

得益于光子独特的优势,该设备除了省电和无需额外冷却外,速度还提升到了每秒 1 万亿次,较当前顶级商用晶体管领先 100~1000 倍。除了实现类似晶体管的主要功能,“光开关”作为组件时,能够以光信号的形式在设备间实现连接和数据传输;当其作为放大器时,入射激光器的强度可提升多达 23000 倍。

具体说来,该设备依靠两个激光将其状态为“0”或“1”、并在两者之间进行切换。只需相当微弱的控制激光束(几个光子),即可用于开关另一束更亮的激光束,因而能源效率也极其显著。

这种转换发生在微腔内——一种夹在高反射无机结构之间的 35nm 薄的有机半导体聚合物 ,通过将入射光尽可能长时间地困在内部,以利于其与腔材料的耦合。当光子强烈耦合到腔体材料中时,就会产生所谓的激子(excitons)。

作为极化子的短寿命实体,激子也是用于开关核心操作的一种准粒子。当泵浦激光器(两者中较亮的一个)照射在开关上时,就会在同一位置产生数千个相同的准粒子。为了在设备的两个能级之间进行切换,研究团队还利用了激光脉冲,以增加凝聚物中准粒子的数量。

那里的大量粒子,就对应于设备的“1”状态。为了确保低功耗,研究人员又将泵浦态和凝聚态之间的能隙,与聚合物中一种特定分子振动的能量相匹配,从而利于半导体聚合物分子的振动和有效切换。

总的来说,该研究带来的优越性能和超低的功耗,或许能使我们与光学计算机更近一步。

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