Chirale Logikgatter erzeugen ultraschnelle Datenprozessoren

Lichtbasierte optische Logikgatter arbeiten viel schneller als ihre elektronischen Gegenstücke und könnten entscheidend sein, um die ständig wachsende Nachfrage nach effizienterer und ultraschneller Datenverarbeitung und -übertragung zu erfüllen. Eine neue Art von Logikgatter mit „optischer Chiralität“, entwickelt von Forschern bei Aalto-Universität arbeitet etwa eine Million Mal schneller als bestehende Technologien.

Wie Elektronen und Moleküle haben Photonen einen sogenannten intrinsischen Freiheitsgrad, der als Chiralität (oder Händigkeit) bekannt ist. Optische Chiralität, die durch linkshändiges und rechtshändiges zirkular polarisiertes Licht definiert wird, ist vielversprechend für die Grundlagenforschung und Anwendungen wie Quantentechnologien, chirale nichtlineare Optik, Sensorik, Bildgebung und das aufstrebende Gebiet der „Valleytronik“.

Nichtlineares optisches Material

Das neue Gerät arbeitet mit zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge als logische Eingangssignale (0 oder 1, entsprechend ihrer spezifischen optischen Chiralität). Die Forscher, angeführt von Yi Zhang, richteten diese Strahlen auf atomar dünne Platten des kristallinen Halbleitermaterials MoS₂ auf einem Bulk-Siliziumdioxid-Substrat. MoS₂ ist ein nichtlineares optisches Material, das heißt, es kann Licht mit einer anderen Frequenz als der des Eingangsstrahls erzeugen.

Zhang und Kollegen beobachteten die Erzeugung einer neuen Wellenlänge (des logischen Ausgangssignals). Durch Anpassung der Chiralität der beiden Eingangsstrahlen sind vier Eingangskombinationen – entsprechend (0,0), (0,1), (1,1) und (1,0) – möglich. Bei dem nichtlinearen optischen Prozess wird das erzeugte Ausgangssignal als logisch 1 oder logisch 0 betrachtet, basierend auf dem Vorhandensein bzw. Fehlen dieses Ausgangssignals.

Chirale Auswahlregeln

Das System funktioniert dank der Tatsache, dass das kristalline Material empfindlich auf die Chiralität der Eingangsstrahlen reagiert und bestimmten chiralen Auswahlregeln (bezogen auf die MoS₂ dreizählige Rotationssymmetrie der Monoschicht). Diese Regeln bestimmen, ob das nichtlineare Ausgangssignal erzeugt wird oder nicht.

Mit diesem Ansatz konnten die Forscher ultraschnelle (weniger als 100 fs Betriebszeit) volloptische XNOR-, NOR-, AND-, XOR-, OR- und NAND-Logikgatter sowie einen Halbaddierer herstellen.

Und das ist noch nicht alles: Das Team zeigte auch, dass ein einzelnes Gerät mehrere Chiralitäts-Logikgatter enthalten kann, die gleichzeitig parallel arbeiten. Dies unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen optischen und elektrischen Logikbausteinen, die typischerweise eine Logikoperation pro Baustein durchführen, sagt Zhang. Solche simultan parallelen Logikgatter könnten verwendet werden, um komplexe, multifunktionale Logikschaltungen und Netzwerke aufzubauen.

Logikgatter bricht Geschwindigkeitsrekord

Die Chiralitätslogikgatter können auch elektronisch in einer elektrooptischen Schnittstelle gesteuert und konfiguriert werden. „Traditionell wurde die Verbindung zwischen elektronischem und optischem/photonischem Computing hauptsächlich durch langsame und ineffiziente optisch-elektrische und elektrisch-optische Umwandlung realisiert“, erzählt Zhang Physik-Welt. „Wir demonstrieren die elektrische Steuerung der logischen Chiralitätstore und eröffnen damit eine aufregende Perspektive für die erste und direkte Verbindung zwischen elektrischem und optischem Rechnen.“

„Auf dieser Grundlage hoffen wir, dass in Zukunft rein optische Computermodalitäten realisiert werden können“, sagt Zhang.

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Wissenschaft Fortschritte, hoffen nun, die Effizienz ihrer Chiralitäts-Logikgatter zu verbessern und ihren Stromverbrauch zu reduzieren.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/chiral-logic-gates-create-ultrafast-data-processors/