Kirale logiske porter skaper ultraraske dataprosessorer

Lysbaserte optiske logiske porter fungerer mye raskere enn deres elektroniske motparter og kan være avgjørende for å møte den stadig økende etterspørselen etter mer effektiv og ultrarask databehandling og -overføring. En ny type "optisk kiralitet" logikkport utviklet av forskere ved Aalto University fungerer omtrent en million ganger raskere enn eksisterende teknologier.

I likhet med elektroner og molekyler har fotoner en såkalt indre frihetsgrad kjent som kiralitet (eller handedness). Optisk kiralitet, som er definert av venstrehendt og høyrehendt sirkulært polarisert lys, viser stort løfte for grunnleggende forskning og applikasjoner som kvanteteknologier, kiral ikke-lineær optikk, sansing, bildebehandling og det nye feltet "valleytronics".

Ikke-lineært optisk materiale

Den nye enheten fungerer ved å bruke to sirkulært polariserte lysstråler med forskjellige bølgelengder som logiske inngangssignaler (0 eller 1, i henhold til deres spesifikke optiske chiralitet). Forskerne, ledet av Yi Zhang, lyste disse strålene på atomtynne plater av det krystallinske halvledermaterialet MoS₂ på et bulk silisiumdioksidsubstrat. MoS₂ er et ikke-lineært optisk materiale, det vil si at det kan generere lys med en annen frekvens enn inngangsstrålen.

Zhang og kolleger observerte genereringen av en ny bølgelengde (det logiske utgangssignalet). Ved å justere chiraliteten til de to inngangsstrålene, er fire inngangskombinasjoner – tilsvarende (0,0), (0,1), (1,1) og (1,0) – mulig. I den ikke-lineære optiske prosessen betraktes det genererte utgangssignalet som logisk 1 eller logisk 0 basert på henholdsvis tilstedeværelse eller fravær av dette utgangssignalet.

Kirale valgregler

Systemet fungerer takket være det faktum at det krystallinske materialet er følsomt for kiraliteten til inngangsstrålene og adlyder visse kirale valgregler (relatert til MoS₂ monolags tredelte rotasjonssymmetri). Disse reglene bestemmer om det ikke-lineære utgangssignalet genereres eller ikke.

Ved å bruke denne tilnærmingen var forskerne i stand til å lage ultraraske (mindre enn 100 fs driftstid) helt optiske XNOR, NOR, AND, XOR, OR og NAND logiske porter, samt en halv-adder.

Og det er ikke alt: teamet viste også at en enkelt enhet kunne inneholde flere chiralitetslogiske porter som opererer samtidig parallelt. Dette er radikalt forskjellig fra konvensjonelle optiske og elektriske logiske enheter som vanligvis utfører én logisk operasjon per enhet, sier Zhang. Slike samtidige parallelle logiske porter kan brukes til å konstruere komplekse, multifunksjonelle logiske kretser og nettverk.

Logic gate slår fartsrekord

Chiralitetslogikkportene kan også styres og konfigureres elektronisk i et elektro-optisk grensesnitt. "Tradisjonelt har forbindelsen mellom elektronisk og optisk/fotonisk databehandling hovedsakelig blitt realisert gjennom langsom og ineffektiv optisk-til-elektrisk og elektrisk-til-optisk konvertering," forteller Zhang. Fysikkens verden. "Vi demonstrerer elektrisk kontroll av chiralitetslogiske porter, og åpner for et spennende perspektiv for den første og direkte sammenkoblingen mellom elektrisk og optisk databehandling."

"Basert på dette håper vi at all-optiske databehandlingsmodaliteter kan realiseres i fremtiden," sier Zhang.

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Vitenskap Fremskritt, håper nå å forbedre effektiviteten til deres chiralitetslogiske porter og redusere strømforbruket deres.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/chiral-logic-gates-create-ultrafast-data-processors/