خداحافظ ترانزیستور! سوئیچ های نوری جدید تا 1000 برابر عملکرد بهتری ارائه می دهند. «شتاب‌دهنده‌های نوری» الکتریسیته را کنار می‌گذارند و از نور را به عنوان یک واسطه مبادله استفاده می‌کنند.
همکاری بین آی‌بی‌ام و محققان روسی منجر به توسعه سوئیچ‌های نوری شده است که می‌توانند تا ۱۰۰۰ برابر سریعتر، از سوئیچ‌های مبتنی بر ترانزیستور پیشی بگیرند. این تحقیق که در Nature منتشر شده است یکی از گام‌های ضروری برای آینده محاسبات مبتنی بر نور است، که یکی از نامزدهای کنونی برای دستیابی به سیستم‌های محاسباتی بسیار سریعتر و بسیار کارآمدتر است.
چندین "مینی ترانزیستور" نوری را می توان برای تبدیل شدن به ترانزیستور بزرگتر و حتی قدرتمندتر مونتاژ کرد زیرا سیگنال های نوری، برخلاف سیگنال های الکتریکی، با یکدیگر تداخل ندارند. درک این اصل به اندازه کافی آسان است: نور سریع است. در واقع نور، سریع ترین رسانه است. بنابراین این سوئیچ های نوری از نور، و نه الکتریسیته، به عنوان ورودی و خروجی عملیاتی خود استفاده می کنند. در حالی که ترانزیستورهای الکترونیکی سنتی هر یک از مقادیر باینری - 1 یا 0 - را با "سوئیچینگ" بین این حالت های باینری، پس از این که ولتاژی به اندازه کافی قوی آنها را مجبور به انجام آن می کند، نشان می دهند، سوئیچ نوری توصیف شده توسط محققان می تواند تغییر بین حالت ها را با کوچک ترین و کارآمدترین واحد نور صورت دهد: یعنی صرفاً با یک فوتون. این منجر به ده ها برابر بازده انرژی بهتر در هر سوئیچ نسبت به ترانزیستورهای الکترونیکی می شود.
پاولوس لاگوداکیس، نویسنده ارشد این مطالعه، فیزیکدان مؤسسه علم و فناوری Skolkovo در مسکو، می‌گوید: «غافلگیرکننده‌ترین یافته این بود که ما می‌توانیم سوئیچ نوری را با کمترین مقدار نور، یعنی یک فوتون، راه‌اندازی کنیم.» این به طور طبیعی تأثیراتی بر کارایی انرژی و دمای عملیاتی دارد، که می‌تواند سیستم‌های نوری را قادر سازد تا نه تنها در مواقعی که به سرعت‌های بیشتر نیاز است، بلکه زمانی که محدودیت‌های خنک‌کنندگی، انرژی یا الکترونیکی برای استقرار سیستم وجود دارد، جایگزین سیستم‌های مبتنی بر ترانزیستور شوند. اگر جمله آخر باعث شد فکر کنید که سوئیچ های نوری برای کامپیوترهای کوانتومی عالی هستند، حق با شماست. در واقع، انتظار می‌رود که راه‌حل‌های محاسباتی کوانتومی به توسعه موازی دستگاه‌های سیگنال‌دهی نوری نیاز داشته باشند که تداخل خارجی را کاهش می‌دهند و امکان برقراری ارتباط سریعتر و پایدارتر بین سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را فراهم می‌کنند. بنابراین، این توسعه فقط برای سیستم‌های محاسباتی سنتی مبتنی بر تورینگ اهمیت ندارد - اگرچه حتی در آنجا نیز می‌تواند منجر به افزایش سرعت عملیاتی شود.
اما سوئیچ در واقع چگونه کار می کند؟ لیزر و آینه. دانشمندان یک لایه پلیمری نیمه هادی آلی با عرض 35 نانومتر ساختند که سپس آن را بین دو آینه بسیار بازتابنده قرار دادند (محققان به آن ریزحفره می گویند). آینه ها برای دو لیزر به عنوان قفس عمل می کنند که هر چه ممکن است بیشتر به لایه پلیمری برخورد می کنند و نور خود را - با میلیون ها (تریلیون ها؟) بازتاب همنوا بین هر دو آینه - در داخل ساندویچ متشکل از دو آینه محبوس نگه می دارند و بنابراین سطح پلیمر را پوشش می دهند. افزودن انفعالی دو ورقه مواد آینه ای باعث افزایش دسترسی لیزرها می شود که این منجر به مصرف انرژی بسیار کمتری نسبت به زمانی می شود که لیزرها در کل سطح هدایت شوند.
دو لیزر مورد نیاز برای عملکرد سوئیچ نوری، شکل یک لیزر پمپی روشن و یک لیزر بذری ضعیف را به خود می گیرند. لیزر پمپی اساساً با ریزحفره تعامل دارد، فوتون‌های پرقدرت آن با اکسایتون‌ها (شکل عجیب و غریب الکترون) جفت می‌شوند تا خوشه‌هایی از اکسایتون-پلاریتون‌ها را تشکیل دهند. این خوشه ها، که اساساً مجموعه ای از ذرات هستند، رفتار عجیب و غریبی از خود نشان می دهند که می توانند به عنوان یک اتم عمل کنند. هنگامی که آنها این رفتار را نشان می دهند، به آنها چگالیده های بوز-اینشتین می گویند. و اینجاست که لیزر بذری وارد معادله می‌شود: اساساً با این چگالیده‌های بوز-انیشتین برهم‌کنش می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد بین دو حالت قابل اندازه‌گیری جابجا شوند، که به عنوان دودویی 1 و 0 از محاسبات کلاسیک عمل می‌کنند.
پاولو لاگوداکیس می‌گوید در حالی که نتایج آنها بسیار مثبت است، سیستم‌های سوئیچینگ و محاسباتی مبتنی بر نور واقعی هنوز از استقرار اصلی فاصله دارند. او می گوید: «چهل سال طول کشید تا اولین ترانزیستور الکترونیکی وارد رایانه شخصی شد و سرمایه گذاری بسیاری از دولت ها و شرکت ها و هزاران محقق و مهندس روی آن انجام شد. اغلب برداشت اشتباهی وجود دارد در مورد این که چقدر طول می کشد تا یک کشف در تحقیقات بنیادی فیزیک وارد بازار شود." با این حال، به نظر می رسد راه برای یک جهش باورنکردنی دیگر در عملکرد برای هر دو سیستم محاسباتی کلاسیک یا مبتنی بر کوانتوم - یک فوتون در هر نوبت - باز است.
نحوه عملکرد ترانزیستور نوری
همان طور که تلویحاً اشاره شد ترانزیستور یکی از تأثیرگذارترین اختراعات قرن بیستم است. عملکرد مهم آن هدایت سیگنال های الکتریکی با استفاده از سیگنال های الکتریکی در دستگاه های تلویزیون، تلفن، رایانه های شخصی و سایر دستگاه ها است. هرچه مدارهایی که سیگنال ها با آن ها هدایت می شوند کوچکتر باشد، پردازش داده ها سریعتر است. همچنین در دانشگاه بایروث، یک تیم تحقیقاتی با محوریت پروفسور دکتر یورگن کیهلر، دکتر مارتی پیرز و پروفسور دکتر موکوندان تلاککات، اکنون عملکرد تقویت کننده یک ترانزیستور نوری را نشان داده است. نکته: در این ترانزیستور نور جایگزین الکتریسیته می شود.در نسخه آنلاین اخیر مجله"Angewandte Chemie International Edition"، دانشمندان Bayreuth کشف خود را معرفی کردند. دکتر Martti Pärs ، یک فیزیکدان جوان، سهم قابل توجهی در این تحقیق داشت. نتایجی که اکنون منتشر شده است از همکاری نزدیک بین فیزیک تجربی و شیمی ماکرو مولکولی در محوطه دانشگاه بایروث به وجود آمده است. نتایج، پایه و اساس نسل کاملاً جدیدی از ترانزیستورها هستند. DFG از تحقیقات در این زمینه در چارچوب گروه آموزشی پژوهشی "فتوفیزیک سیستم های چند کروموفور مصنوعی و بیولوژیکی" پشتیبانی می کند.
دو مولکول در تیم
یک سوئیچ هدایت شده با نور و یک شریک به شدت روشن کنندهبا استفاده از سیگنال های نوری با طول موج های مختلف، یکی از دو مولکول به طور متناوب به حالت A یا B می رسد. در نتیجه مولکول مانند یک سوئیچ واکنش می دهد و بین دو حالت متضاد متناوب می شود. بسته به این که این سوئیچ مولکولی نور محور در حالت A یا B باشد، مولکول متصل به آن یک سیگنال نور ضعیف یا قوی منتشر می کند: یعنی نور محرک نور می شود.مدل مفهومی یک ترانزیستور نوری مورد استفاده در بایروث ساده است. دو مولکول از نظر شیمیایی به هم متصل هستند. با استفاده از سیگنال های نوری با طول موج های مختلف، یکی از دو مولکول به طور متناوب به حالت A یا B می رسد. در نتیجه مولکول مانند یک سوئیچ واکنش می دهد و بین دو حالت متضاد متناوب می شود. بسته به این که این سوئیچ مولکولی نور محور در حالت A یا B باشد، مولکول متصل به آن یک سیگنال نور ضعیف یا قوی منتشر می کند: یعنی نور محرک نور می شود. در طول این فرآیند، یک اثر تقویت قابل توجه تکامل می یابد زیرا یک سیگنال نوری کوچک برای آوردن سوئیچ مولکولی به شرایطی که در آن مولکول شریک به شدت فلورسانس شود، کافی است.
مزایای اصلی
بالاترین راندمان در یک فضای کوچکعملکرد یک ترانزیستور آن طور که در بالا توضیح داده شد مزایای قابل توجهی را در مقایسه با ترانزیستورهای معمولی ارائه می دهد: برای ترانزیستورهای معمولی به دلایل فیزیکی نمی توان به صورت اختیاری اندازه را کاهش داد. تمام تلاش‌ها برای ایجاد کوچک‌ترین مدار ممکن برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی، دارای محدودیت طبیعی هستند. با این حال، همان طور که دانشمندان بایروث اکنون نشان داده اند، هدایت سیگنال های نوری با استفاده از سیگنال های نور می تواند در سطح مولکولی تحقق یابد. در تئوری، ترانزیستورهای نوری ممکن است از قبل در مقیاس مولکولی وجود داشته باشند. آنها ذاتا کوچکتر هستند و بنابراین سریعتر از ترانزیستورهای الکتریکی هستند.
مزیت دیگر: چندین "مینی ترانزیستور" نوری را می توان برای تبدیل شدن به ترانزیستور بزرگتر و حتی قدرتمندتر مونتاژ کرد زیرا سیگنال های نوری، برخلاف سیگنال های الکتریکی، با یکدیگر تداخل ندارند. بنابراین تعداد زیادی از داده ها به طور همزمان در یک فضای کوچک پردازش می شوند. در نهایت، هر ترانزیستور نوری بدون در نظر گرفتن اندازه از یک جنبه برتر است: همه سیگنال‌ها با سرعت نور پردازش می‌شوند – سرعتی بیش از این ممکن نیست.
جزئیات فیزیکی
فضای داخلی ترانزیستور نوریمولکولِ سوئیچِ مورد استفاده در بایروث دیتینیل، سیکلوپنتن (DCP) (dithienylcyclopentene) است. در مرکز مولکول متقارن یک حلقه کربنی قرار دارد. حلقه بسته به محض برخورد پرتو فرابنفش نور (280 - 310 نانومتر) باز می شود. حلقه باز به محض قرار گرفتن در معرض یک پرتو رنگی قابل مشاهده از نور (500 - 650 نانومتر) بسته می شود. DCP در تحقیقات، یک مولکول فتوکروم / فوتو سوئیچ نامیده می شود زیرا بسته به طول موج پرتو نور، بین دو ساختار، متناوب می شود.
در انتهای مخالف مولکول‌های DCP، محققان بایروث دو کروموفور آلی متعلق به گروه پریلن بیسیمید (PBI) (perylene bisimides) را متصل کرده‌اند. معروفیت مولکول های PBI به دلیل توانایی آنها در فلورسانس قوی است. این امر همیشه، وقتی که یک مولکول PBI انرژی نور را جذب می کند و آن را ساطع می کند، صادق است.
یک مولکول PBI که مانند یک بازو به یک مولکول DCP متصل است با شدت های مختلف - بسته به این که حلقه در سوئیچ مولکولی باز یا بسته باشد - فلورسانس می شود. وقتی بسته است،DCP در سطح انرژی نسبتاً پایینی قرار دارد. بنابراین PBI بیشترین بخش انرژی نور جذب شده خود را به DCP منتقل می کند. DCP انرژی نور را بدون این که فلورسانس کند تلف می کند. در این مورد، PBI به گونه ای ضعیف فلورسانس می شود. اما وقتی حلقه در DCP باز است، عکس آن را مشاهده می کنیم. DCP در سطح انرژی بالایی قرار دارد به گونه ای که PBI قادر به انتقال انرژی نور به DCP نیست. در عوض، انرژی نور جذب شده را به طور کامل ساطع می کند. PBI به شدت فلورسنت است.
چالش های تحقیقاتی بیشتر
بر اساس نتایج تحقیقات فوق، چشم انداز آینده نسل جدیدی از ترانزیستورها پدیدار شده است. برای این که این چشم انداز روزی محقق شود، تحقیقات بیشتری لازم است. برای مثال، به نظر می‌رسد که گویا مولکول‌های فلورسنت PBI در دوره‌های زمانی طولانی‌تر بی رمق می‌شوند. در نتیجه، قدرت روشنایی آنها ضعیف می شود. شایسته است این اثر با دقت بیشتری بررسی شود. مشاهده دیگری در مورد شرایط آزمایشی که تاکنون استفاده شده است این است که باز و بسته شدن حلقه ها برای تعداد زیادی از مولکول هایDCP ، زمانی نسبتاً طولانی به دراز می کشد. در نتیجه، گاف های بین سیگنال‌های نوری که توسط این فرآیند هدایت می‌شوند، نسبتاً بزرگ است. بنابراین، تیم تحقیقاتی بایروث در تلاش برای یافتن راه حلی است تا این دوره های زمانی را به حداقل برساند.انتظار می‌رود که راه‌حل‌های محاسباتی کوانتومی به توسعه موازی دستگاه‌های سیگنال‌دهی نوری نیاز داشته باشند که تداخل خارجی را کاهش می‌دهند و امکان برقراری ارتباط سریعتر و پایدارتر بین سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را فراهم می‌کنند.
بحث در مورد ترانزیستور نوری
یک نشریه دیگر اخیر نوع جدیدی از "ترانزیستور نوری" را گزارش کرد و با آن تبلیغات قابل توجهی به دست آورد. با این حال، آیا این دستگاه واقعاً شایسته این اصطلاح است یا خیر. با کمال تعجب، اگرچه بسیاری از مردم در مورد چنین چیزهایی صحبت می کنند، به نظر می رسد تعداد کمی به معانی شناسی اهمیت می دهند. به نظر می رسد تاکنون تعریف واضحی پیدا نشده باشد.بدیهی است که همان طور که گفته شد "ترانزیستور نوری" باید به معنای نوعی آنالوگ فوتونی یک ترانزیستور الکترونیکی باشد که بتواند عملکردهای مشابهی را انجام دهد. پس اول باید سؤال کرد که ماهیت عملکرد یک ترانزیستور الکترونیکی چیست؟ همه موافقند که چنین وسیله ای به شخص اجازه می دهد تا مقداری ولتاژ یا جریان را با ولتاژ یا جریان دیگری کنترل کند. اما این همه چیز نیست - جزئیات ضروری دیگری نیز وجود دارد: ولتاژ یا جریان کنترل شده باید بزرگتر از ولتاژ یا جریان کنترل کننده باشد. به عبارت دیگر تقویت وجود دارد. به عنوان مثال، برای یک ترانزیستور دو قطبی استاندارد، بهره تقویت جریان قابل توجهی وجود دارد که به عنوان جریان امیتر کنترل شده تقسیم بر جریان پایه مورد نیاز تعریف می شود.
توجه داشته باشید که ویژگی تقویت نه تنها زمانی ضروری است که از ترانزیستور برای ساخت تقویت کننده استفاده می کنیم، بلکه همچنین برای استفاده در مدارهای منطقی مورد نیاز است. اگر یک گیت منطقی لازم باشد یک جریان 1 میکرو آمپری را تغییر دهد و برای انجام این کار به جریان گیت 10 میکرو آمپری نیاز داشته باشد، واضح است که نمی‌توان بسیاری از گیت‌ها را به صورت سری وصل کرد.
اگر به ترانزیستور نوری برگردیم، این معمولاً مهم تلقی می‌شود، زیرا امکان ساخت مدارهای نوری پیچیده را فراهم می‌کند. بنابراین می بینیم که تقویت، مهم است درست همان طور که برای ترانزیستور الکترونیکی مهم است. تنها، تأثیرگذاری یک پرتو نور با پرتوی دیگر کافی نیست. علاوه بر این، لازم است که بتوان چندین فوتون را در هر فوتون ورودی کنترل کرد.
متأسفانه دستگاهی که در نشریه اخیر توضیح داده شده است، این ویژگی را ندارد. به‌طور دقیق‌تر، نوعی تقویت پرتو کنترل‌شده را نشان می‌دهد، اما نه به معنایی که در بالا توضیح داده شد: برای سوئیچ کردن یک فوتون در خروجی به حداقل یک فوتون کنترل نیاز دارید. بنابراین، ظاهراً نباید این دستگاه را ترانزیستور نوری نامید. توجه داشته باشید که انواع دیگری از ترانزیستورهای نوری، از نوعی که در ابتدا شرح داده شد، وجود دارند که دارای ویژگی تقویت هستند و بنابراین شایسته این نام هستند.
ممکن است برخی بپرسند: "آیا این فقط بحثی معنا شناسانه نیست؟" پاسخ ، بله است، اما معناشناسی مهم است. به طور کلی، برای جلوگیری از سردرگمی، استفاده از اصطلاحات کاملاً تعریف شده یک استاندارد، ضروریِ علم است. زمانی که فرد از اصطلاحی استفاده می‌کند که هیچ تعریف شناخته شده و پذیرفته‌شده‌ای برای آن وجود ندارد، باید توضیح دهد که منظورش از آن چیست. در غیر این صورت، مشخص نیست که این اظهارات دقیقاً به چه معناست.
در حالی که ترانزیستورهای الکترونیکی سنتی هر یک از مقادیر باینری - 1 یا 0 - را با "سوئیچینگ" بین این حالت های باینری، پس از این که ولتاژی به اندازه کافی قوی آنها را مجبور به انجام آن می کند، نشان می دهند، سوئیچ نوری توصیف شده توسط محققان می تواند تغییر بین حالت ها را با کوچک ترین و کارآمدترین واحد نور صورت دهد: یعنی صرفاً با یک فوتون. در موارد واقعی، به نظر می رسد برچسب "ترانزیستور نوری" برای دستگاه ارائه شده قبلاً باعث سردرگمی شده است. فقط به گزارش های زیادی که آن آزمایش را به عنوان نقطه عطفی در مسیر محاسبات نوری توصیف می کنند، نگاه کنید، ظاهراً متوجه نیستند که چنین نوع گیت های نوری را نمی توان خودسرانه ترکیب کرد زیرا آنها فاقد تقویت هستند. بنابراین به نظر می رسد که برچسب "ترانزیستور نوری" انتظاراتی را افزایش داده است که نمی توان آنها را برآورده کرد - نه فقط به دلیل اجرای ناقص، بلکه در نتیجه روش مورد استفاده. بدیهی است که در علم باید از چنین سردرگمی هایی اجتناب شود.
منبع: فرانسیسکو پیرس، دانشگاه بایروث، رودیگر پاشوتا، RP Photonics Consulting GmbH