Forscher entwickeln lichtbasierten Schalter als Alternative zu elektronischen Chips

Allerdings hat eine wesentliche Herausforderung ihre Entwicklung begrenzt: Photonen, also Lichtteilchen, interagieren untereinander nicht. „Unsere primäre Motivation bestand darin, das Feld der rein optischen Datenverarbeitung voranzutreiben – ein langjähriges Traumziel, Systeme zu errichten, die Informationen mit Licht statt mit Elektrizität verarbeiten," sagte Li He, Assistenzprofessor an der Montana State University und leitender Autor der Studie, wie Tech Xplore berichtete. „Da Licht schneller reist und weniger Wärme erzeugt als bewegte Elektronen, könnten solche Systeme deutlich leistungsfähiger und energieeffizienter sein als heutige elektronische Chips." „Allerdings stießen wir, um dies Wirklichkeit werden zu lassen, auf eine grundlegende Herausforderung: Photonen (d. h.

Lichtteilchen) interagieren untereinander in der Regel nicht", fuhr er fort. Um dieses Problem zu lösen, konzentrierten sich die Forscher darauf, stärkere Wechselwirkungen zwischen Photonen mithilfe, hybride Quasiteilchen, die entstehen, wenn Photonen in Halbleitern stark mit Exzitonen koppeln.

Sie verwendeten eine einzelne Schicht aus MoSe₂ und integrierten diese in eine aus Siliziumnitrid hergestellte Nanobeam-Hohlraumstruktur, die entwickelt wurde, um Licht eng einzuschließen.

Einordnung fuer Autofahrer

Erreichung ultraschneller optischer Schalter bei extrem niedrigem Energieverbrauch Der eingeschlossene Nanohohlraum half dabei, die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie innerhalb des Geräts zu verstärken und ermöglichte so ultraschnelles optisches Schalten bei sehr niedrigen Leistungspegeln. „Indem wir Licht dazu bringen, stark mit der Materie in atomdünnen MoSe₂-Schichten zu koppeln, können wir effektiv Photonen dazu bringen, miteinander zu interagieren und das Verhalten des Systems mit sehr wenig optischer Energie zu verändern", erklärte He. „Dies erreichten wir durch die Erzeugung eines hybriden Zustands, der als Exziton-Polariton bekannt ist." Dies sind Quasiteilchen aus „halb Licht, halb Materie", die die besten Eigenschaften beider Welten vereinen: Da sie teilweise aus Photonen bestehen, können sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, und da sie teilweise aus Materie (Exzitonen) bestehen, zeigen sie Wechselwirkungen über ihre zugrundeliegenden Exzitonen.

Nach Angaben der Forscher fungiert die Nanokavität als ein ultrapraziser Lichtfänger, der die Polaritonen in einen winzigen Raum komprimiert und die Teilchenwechselwirkungen dadurch erheblich verstärkt. Das System erzielte ein optisches Schalten mit etwa 4 Femtojoule Energie.

Hinwendung zu Anwendungen in der KI und im Quantencomputing Die Forscher gaben an, dass die Plattform zukünftig großflächige integrierte photonische Schaltkreise sowie Technologien für künstliche Intelligenz oder Quantencomputing unterstützen könnte. „Wir haben einen Weg zum Schalten Lichtintensitäten aufgezeigt und uns den fundamentalen Grenzen genähert, die bestimmen, wie viel Energie für die Wechselwirkung ", sagte He. „Vergleichsweise ist unsere Plattform für die Massenproduktion konzipiert." Durch den Einsatz, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken strukturiert werden können, haben wir gezeigt, dass diese 2D-Material-Bauelemente in großflächige integrierte photonische Schaltkreise integriert werden können.

Technik und Auswirkungen

Dies ebnet den Weg für Chips, die Tausende interagierender optischer Komponenten beherbergen, so der Sprecher weiter. Das Team arbeitet derzeit daran, die Nanostrukturen weiter zu optimieren, um die Schaltgrenze noch weiter zu senken, und erforscht Möglichkeiten, mehrere Nanokavitäten zu größeren optischen Verarbeitungsschaltkreisen zu verbinden.

Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.