Chirale logische poorten creëren ultrasnelle gegevensprocessors

Chirale logische poorten creëren ultrasnelle gegevensprocessors

Tijdstempel: 23 januari 2023 12:30 uur

Niet-lineair optisch materiaal dat een uitgangssignaal genereert dat afhankelijk is van de chiraliteit van twee ingangsbundels
Op licht gebaseerde logica: de logische poort voor optische chiraliteit is gemaakt van een niet-lineair optisch materiaal dat een uitgangssignaal genereert dat afhankelijk is van de chiraliteit van de twee ingangsbundels. (Met dank aan: Yi Zhang/Aalto Universiteit)

Op licht gebaseerde optische logische poorten werken veel sneller dan hun elektronische tegenhangers en kunnen van cruciaal belang zijn om te voldoen aan de steeds groeiende vraag naar efficiëntere en ultrasnelle gegevensverwerking en -overdracht. Een nieuw type logische poort met “optische chiraliteit”, ontwikkeld door onderzoekers van Aalto University werkt ongeveer een miljoen keer sneller dan bestaande technologieën.

Net als elektronen en moleculen hebben fotonen een zogenaamde intrinsieke vrijheidsgraad die bekend staat als chiraliteit (of handigheid). Optische chiraliteit, die wordt gedefinieerd door linkshandig en rechtshandig circulair gepolariseerd licht, is veelbelovend voor fundamenteel onderzoek en toepassingen zoals kwantumtechnologieën, chirale niet-lineaire optica, detectie, beeldvorming en het opkomende veld van ‘valleytronica’.

Niet-lineair optisch materiaal

Het nieuwe apparaat werkt door twee circulair gepolariseerde lichtbundels van verschillende golflengten te gebruiken als logische ingangssignalen (0 of 1, afhankelijk van hun specifieke optische chiraliteit). De onderzoekers, onder leiding van Yi Zhangscheen deze stralen op atomair dunne platen van het kristallijne halfgeleidermateriaal MoS2 op een bulk siliciumdioxidesubstraat. MoS2 is een niet-lineair optisch materiaal, dat wil zeggen dat het licht kan genereren met een andere frequentie dan die van de ingangsbundel.

Zhang en collega's observeerden het genereren van een nieuwe golflengte (het logische uitgangssignaal). Door de chiraliteit van de twee invoerbundels aan te passen, zijn vier invoercombinaties – overeenkomend met (0,0), (0,1), (1,1) en (1,0) – mogelijk. In het niet-lineaire optische proces wordt het gegenereerde uitgangssignaal beschouwd als logisch 1 of logisch 0, gebaseerd op respectievelijk de aanwezigheid of afwezigheid van dit uitgangssignaal.

Chirale selectieregels

Het systeem werkt dankzij het feit dat het kristallijne materiaal gevoelig is voor de chiraliteit van de ingangsbundels en voldoet aan bepaalde chirale selectieregels (gerelateerd aan de MoS2 de drievoudige rotatiesymmetrie van de monolaag). Deze regels bepalen of het niet-lineaire uitgangssignaal al dan niet wordt gegenereerd.

Met behulp van deze aanpak konden de onderzoekers ultrasnelle (minder dan 100 fs bedrijfstijd) volledig optische XNOR-, NOR-, AND-, XOR-, OR- en NAND-logische poorten maken, evenals een half-adder.

En dat is nog niet alles: het team toonde ook aan dat een enkel apparaat meerdere logische chiraliteitspoorten kan bevatten die tegelijkertijd parallel werken. Dit is radicaal anders dan conventionele optische en elektrische logische apparaten die doorgaans één logische bewerking per apparaat uitvoeren, zegt Zhang. Dergelijke gelijktijdige parallelle logische poorten zouden kunnen worden gebruikt om complexe, multifunctionele logische circuits en netwerken te construeren.

De chiraliteitslogische poorten kunnen ook elektronisch worden bestuurd en geconfigureerd in een elektro-optische interface. “Traditioneel werd de verbinding tussen elektronisch en optisch/fotonisch computergebruik voornamelijk tot stand gebracht via langzame en inefficiënte optisch-elektrische en elektrisch-naar-optische conversie”, vertelt Zhang. Natuurkunde wereld. "We demonstreren de elektrische controle van de logische chiraliteitpoorten, wat een spannend vooruitzicht opent voor de eerste en directe verbinding tussen elektrisch en optisch computergebruik."

“Op basis hiervan hopen we dat in de toekomst volledig optische computermodaliteiten kunnen worden gerealiseerd”, zegt Zhang.

De onderzoekers, die hun werk rapporteren in Wetenschap Advances, hopen nu de efficiëntie van hun chiraliteitslogische poorten te verbeteren en hun energieverbruik te verminderen.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld