Kirala logiska grindar skapar ultrasnabba dataprocessorer

Ljusbaserade optiska logiska grindar fungerar mycket snabbare än sina elektroniska motsvarigheter och kan vara avgörande för att möta den ständigt växande efterfrågan på effektivare och ultrasnabb databearbetning och överföring. En ny typ av "optisk kiralitet" logikgrind utvecklad av forskare vid Aalto University fungerar ungefär en miljon gånger snabbare än befintlig teknik.

Liksom elektroner och molekyler har fotoner en så kallad inneboende frihetsgrad som kallas kiralitet (eller handedness). Optisk kiralitet, som definieras av vänsterhänt och högerhänt cirkulärt polariserat ljus, visar stort lovande för grundläggande forskning och tillämpningar som kvantteknologi, kiral olinjär optik, avkänning, bildbehandling och det framväxande området "valleytronics".

Icke-linjärt optiskt material

Den nya enheten fungerar genom att använda två cirkulärt polariserade ljusstrålar med olika våglängder som logiska insignaler (0 eller 1, beroende på deras specifika optiska kiralitet). Forskarna, med ledning av Yi Zhang, lyste dessa strålar på atomärt tunna plattor av det kristallina halvledarmaterialet MoS₂ på ett bulkkiseldioxidsubstrat. MoS₂ är ett olinjärt optiskt material, det vill säga det kan generera ljus med en annan frekvens än ingångsstrålen.

Zhang och kollegor observerade genereringen av en ny våglängd (den logiska utsignalen). Genom att justera kiraliteten för de två ingångsstrålarna är fyra ingångskombinationer – motsvarande (0,0), (0,1), (1,1) och (1,0) – möjliga. I den olinjära optiska processen betraktas den genererade utsignalen som logisk 1 eller logisk 0 baserat på närvaron respektive frånvaron av denna utsignal.

Kirala urvalsregler

Systemet fungerar tack vare det faktum att det kristallina materialet är känsligt för kiraliteten hos ingångsstrålarna och lyder vissa kirala urvalsregler (relaterade till MoS)₂ monolagers trefaldiga rotationssymmetri). Dessa regler bestämmer huruvida den olinjära utsignalen genereras eller inte.

Med detta tillvägagångssätt kunde forskarna göra ultrasnabba (mindre än 100 fs drifttid) helt optiska XNOR, NOR, AND, XOR, OR och NAND logiska grindar, såväl som en halvadderare.

Och det är inte allt: teamet visade också att en enda enhet kan innehålla flera chiralitetslogiska grindar som arbetar samtidigt parallellt. Detta skiljer sig radikalt från konventionella optiska och elektriska logiska enheter som vanligtvis utför en logisk operation per enhet, säger Zhang. Sådana samtidiga parallella logiska grindar skulle kunna användas för att konstruera komplexa, multifunktionella logiska kretsar och nätverk.

Logic gate slår hastighetsrekord

Chiralitetslogikgrindarna kan också styras och konfigureras elektroniskt i ett elektrooptiskt gränssnitt. "Traditionellt har kopplingen mellan elektronisk och optisk/fotonisk beräkning huvudsakligen realiserats genom långsam och ineffektiv optisk-till-elektrisk och elektrisk-till-optisk omvandling," säger Zhang Fysikvärlden. "Vi demonstrerar elektrisk styrning av chiralitetslogiska grindar, vilket öppnar upp ett spännande perspektiv för den första och direkta sammankopplingen mellan elektrisk och optisk datoranvändning."

"Baserat på detta hoppas vi att helt optiska beräkningsmodaliteter kan realiseras i framtiden", säger Zhang.

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Vetenskap Förskott, hoppas nu kunna förbättra effektiviteten hos deras chiralitetslogikgrindar och minska deras strömförbrukning.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/chiral-logic-gates-create-ultrafast-data-processors/