Chirale logiske porte skaber ultrahurtige dataprocessorer

Chirale logiske porte skaber ultrahurtige dataprocessorer

Tidsstempel: 23. januar 2023 12:30

Ikke-lineært optisk materiale, der genererer et udgangssignal, der er afhængigt af chiraliteten af ​​to indgangsstråler
Lysbaseret logik: Den optiske chiralitetslogikport er lavet af et ikke-lineært optisk materiale, der genererer et udgangssignal, der er afhængig af chiraliteten af ​​de to indgangsstråler. (Med høflighed: Yi Zhang/Aalto University)

Lysbaserede optiske logiske porte fungerer meget hurtigere end deres elektroniske modstykker og kan være afgørende for at imødekomme den stadigt voksende efterspørgsel efter mere effektiv og ultrahurtig databehandling og overførsel. En ny type "optisk chiralitet" logikport udviklet af forskere ved Aalto Universitet virker omkring en million gange hurtigere end eksisterende teknologier.

Ligesom elektroner og molekyler har fotoner en såkaldt iboende frihedsgrad kendt som chiralitet (eller handedness). Optisk chiralitet, som er defineret af venstrehåndet og højrehåndet cirkulært polariseret lys, viser et stort løfte for fundamental forskning og anvendelser såsom kvanteteknologier, chiral ikke-lineær optik, sansning, billeddannelse og det nye felt af "valleytronics".

Ikke-lineært optisk materiale

Den nye enhed fungerer ved at bruge to cirkulært polariserede lysstråler med forskellige bølgelængder som logiske inputsignaler (0 eller 1, i henhold til deres specifikke optiske chiralitet). Forskerne, anført af Yi Zhang, skinnede disse stråler på atomisk tynde plader af det krystallinske halvledermateriale MoS2 på et bulk siliciumdioxidsubstrat. MoS2 er et ikke-lineært optisk materiale, det vil sige, det kan generere lys med en anden frekvens end indgangsstrålens.

Zhang og kolleger observerede genereringen af ​​en ny bølgelængde (det logiske udgangssignal). Ved at justere chiraliteten af ​​de to indgangsstråler er fire inputkombinationer – svarende til (0,0), (0,1), (1,1) og (1,0) – mulige. I den ikke-lineære optiske proces betragtes det genererede udgangssignal som logisk 1 eller logisk 0 baseret på henholdsvis tilstedeværelsen eller fraværet af dette udgangssignal.

Chirale udvælgelsesregler

Systemet fungerer takket være det faktum, at det krystallinske materiale er følsomt over for chiraliteten af ​​inputstrålerne og adlyder visse chirale udvælgelsesregler (relateret til MoS2 monolags tredobbelte rotationssymmetri). Disse regler bestemmer, om det ikke-lineære udgangssignal genereres eller ej.

Ved at bruge denne tilgang var forskerne i stand til at lave ultrahurtige (mindre end 100 fs driftstid) helt optiske XNOR, NOR, AND, XOR, OR og NAND logiske porte samt en halvadder.

Og det er ikke alt: holdet viste også, at en enkelt enhed kunne indeholde flere chiralitetslogiske porte, der opererer på samme tid parallelt. Dette er radikalt anderledes end konventionelle optiske og elektriske logiske enheder, der typisk udfører en logisk operation pr. enhed, siger Zhang. Sådanne samtidige parallelle logiske porte kunne bruges til at konstruere komplekse, multifunktionelle logiske kredsløb og netværk.

De chiralitetslogiske porte kan også styres og konfigureres elektronisk i et elektro-optisk interface. "Traditionelt er forbindelsen mellem elektronisk og optisk/fotonisk databehandling primært blevet realiseret gennem langsom og ineffektiv optisk-til-elektrisk og elektrisk-til-optisk konvertering," fortæller Zhang. Fysik verden. "Vi demonstrerer elektrisk kontrol af chiralitetslogiske porte, hvilket åbner en spændende udsigt til den første og direkte sammenkobling mellem elektrisk og optisk databehandling."

"Baseret på dette håber vi, at al-optiske computermodaliteter kan realiseres i fremtiden," siger Zhang.

Forskerne, der rapporterer deres arbejde i Science Forskud, håber nu at forbedre effektiviteten af ​​deres chiralitetslogiske porte og reducere deres strømforbrug.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden