Pirmasis optinis tranzistorius, veikiantis kambario temperatūroje
Du esminiai šiuolaikinių skaitmeninių kompiuterinių technologijų ramsčiai yra elektroninis tranzistorius ir von Neumano kompiuterio architektūra. Von Neumano architektūra leido atskirti fizines skaičiavimo užduotis, tokias kaip duomenų saugojimas ar apdorojimas, tuo tarpu tranzistoriai yra pagrindiniai mūsų skaitmeninių kompiuterių struktūriniai elementai. Talpinant vis daugiau tranzistorių vis mažesniuose lustuose, pavyko sukurti tokius įrenginius, kaip išmanieji telefonai. Pastarųjų skaičiavimo pajėgumai didesni nei didžiulių kompiuterių, kuriuos NASA naudojo nuskraidinti pirmuosius žmones į Mėnulį.
Tačiau nė vienas iš šių išradimų nėra amžinas. Tiesą sakant, pastaraisiais metais matome atgimstantį susidomėjimą visiškai kitokiais komponentais ir architektūra. Ateities kompiuterija galėtų apimti dirbtiniam intelektui pritaikytą įrangą, vidinę atmintį, analoginius ir kvantinius skaičiavimus. IBM mokslininkai daugelį metų tyrinėja tokias naujas technologijas ir bando nustatyti, kokios fizikinės koncepcijos galėtų būti panaudotos ateities informacijos apdorojimo infrastruktūrai.
Neseniai „IBM Research Lab“ mokslininkų komandai Ciuriche kartu su partneriais iš prof. Pavlos Lagoudakis tyrimų laboratorijos Skolkovo mokslo ir technologijų institute ir Southampton universitete (bendradarbiaujant pagal Europos Horizon-2020 mokymo tinklą SYNCHRONICS) pavyko sukurti pirmąjį kaskadinį visiškai optinį tranzistorių, galintį veikti kambario temperatūroje. Komanda to pasiekė panaudodama organinių puslaidininkinių polimerų medžiagų savybes. Panaudojant vieną iš šių medžiagų, buvo sukurtas mikrorezonatorius, kuriame įeinantis optinis signalas (lazerio spindulys) gali būti įjungiamas ir išjungiamas arba sustiprinamas kitu lazerio spinduliu.
Tarp atradėjų – jauno lietuvių mokslininko vardas
Šio darbo rezultatai publikuoti naujausiame žurnalo „Nature Photonics“ numeryje. Tarp keturių išradimą padariusių „IBM Research Lab“ komandos Ciuriche narių – ir jaunas lietuvių mokslininkas Darius Urbonas. Jis prisijungė prie „IBM Research – Zurich“ Mokslo ir technologijų departamento komandos 2015 m. Jo tyrimų tikslas – analoginis kvantinis simuliatorius, naudojantis eksitonų-poliaritonus sujungtuose mikrorezonatoriuose. Projektas yra „IBM quantum technology“ strategijos dalis ir iš dalies finansuojamas „Phonsi“ projekto, kuris yra „Horizontas 2020“ dalis.
Jaunasis mokslininkas iš Lietuvos turi magistro laipsnį summa cum laude lazerių fizikos ir technologijų srityje bei fizikos bakalauro laipsnį cum laude, kuriuos įgijo Vilniaus universitete. Jis dirbo Vilniaus universitete, taip pat kaip vizituojantis mokslininkas prisijungė prie Swinburne technologijos universiteto Mikrofotonikos centro Melburne, Australijoje.
Kodėl tai svarbu?
Pasak D.Urbono, nors naujos technologijos aprašymas gali pasirodyti sudėtingas, tačiau jo išskirtinė svarba mūsų kasdieniam gyvenimui paaiškinama labai paprastai.
„Ši technologija galėtų gerokai padidinti elektroninių įrenginių energetinį efektyvumą ir būtų pritaikoma itin plačiai – nuo debesijos sprendimų iki nešiojamųjų kompiuterių ir mobiliųjų įrenginių. Jeigu įrenginiai taptų energetiškai efektyvesni, jų baterijos veiktų ilgiau – taigi, jie taptų galingesni, o tai kasdien mums visiems darosi vis aktualiau“, – sakė „IBM Research Lab“ mokslininkų komandos Ciuriche narys D.Urbonas.
Visiškai optiniai komponentai, kurie apdoroja informaciją naudodami tik šviesą, gali sudaryti sąlygas greičiau atlikti perjungimo ir logines operacijas. Jie taip pat gali sudaryti sąlygas naujo tipo operacijoms, pvz., keisti kvantinius bitus iš mikrobangų diapazono į optinį (angl. quantum microwave optical transduction) ar „aklai“ kvantinei kompiuterijai (angl. blind quantum computing). Tačiau tokius visiškai optinius komponentus labai sunku sukurti. Tiesą sakant, pastangos sukurti visiškai optinius kompiuterius trunka jau maždaug 50 metų.
Norint perjungti arba sustiprinti optinį signalą kitu optiniu signalu, reikalinga medžiaga, kuri tarpininkautų šiai sąveikai. Šviesos spinduliai dėl savo prigimties negali sąveikauti vakuume. IBM mokslininkų ir partnerių tyrimo komandos sukurtame tranzistoriuje minėta sąveika pasiekiama pasitelkiant kvazidaleles – eksitonų-poliaritonus (angl. exciton-polaritons). Jie atsiranda organiniame puslaidininkyje (angl. methyl-substituted ladder-type poly- [paraphenylene] arba MeLPPP), kurį tiekia komandos ilgametis partneris prof. Ullrich Scherf iš Vupertalio universiteto. Mokslininkai įterpė 35 nanometrų storio MeLPPP sluoksnį tarp dviejų stipriai atspindinčių veidrodžių, kad susidarytų optinis rezonatorius, kuriame lazeriu buvo sukurti eksitonų-poliaritonai. Eksitonų-poliaritoną sudaro eksitono (elektrono ir skylės pora) ir fotono superpozicija. Būtent todėl IBM mokslininkų pristatytas prietaisas patenka į organinių poliaritoninių tranzistorių kategoriją.
Šis tranzistorius ne tik yra pirmasis tokio tipo įrenginys, veikiantis kambario temperatūros sąlygomis, jis taip pat suteikia dar precedento neturintį, 6500 kartų stipresnį optinį signalą, kai prietaiso ilgis yra vos keli mikrometrai. Tai yra 330 kartų daugiau palyginti su stiprinimu, kurį pasiekė neorganinis atitikmuo. Be to, jis leidžia naudoti kaskadinį elementų jungimą – tai yra būtina sąlyga, kad tranzistorius galėtų būti naudojamas loginiams elementams. Eksperimentuose pademonstruotas įrenginys taip pat pasižymėjo didžiausiu kada nors stebėtu grynuoju signalo stiprinimu optiniuose tranzistoriuose (~10 dB/mikrometrui).
Negana to, pademonstruotas tranzistorius pasižymi itin greitu perjungimu – subpikosekundžių diapazone. Nors jis pagal perjungimo greitį yra panašus į kai kuriuos ankstesnius visiškai optinius įrenginius, tačiau yra pranašesnis tuo, kad jam veikti nereikia kriogeninio aušinimo.
Svarbu tai, kad IBM mokslininkų sukurtas organinis poliaritonų tranzistorius nebeturi ir dar vieno neorganiniams atitikmenims būdingo apribojimo, kuris svarbus praktiniais sumetimais. Neorganiniuose poliaritonų mikrorezonatoriuose kaupinimo lazeris, naudojamas tranzistoriaus atsakui įjungti, gali būti nukreiptas į prietaisą tik tam tikrais kampais. Šiame organiniame prietaise nėra specialaus reikalavimo kaupinimo lazerio kampui ir tai suteikia gerokai daugiau lankstumo bei leidžia naudoti šviesolaidinį jungimą ir sukurti su juo integruotas plokščiąsias grandines.
