Eerste Ultrafaste, Kamertemperatuur All-Optische Transistor Stelt Nieuwe Benchmark

Moderne digitale computers hebben de maatschappij herschikt, toch hebben de kerntechnologieën die ze aandrijven nog steeds significant ruimte voor evolutie. Naarmate datavolumes zwellen en artificial-intelligence workloads groeien, intensifieert de vraag naar krachtigere, efficiëntere computing platforms.

De elektronische transistor en de von Neumann architectuur blijven de twee pijlers van vandaag de silicium-gebaseerde systemen. Door steeds meer transistors op kleinere chips te pakken, hebben wij apparaten gebouwd - smartphones, laptops en servers - die orders van grootte meer computationele kracht leveren dan de vroege computers die mensen op de maan landden. Nog, deze technologieën zijn niet het finale hoofdstuk in computing's verhaal.

In recente jaren is een renaissance van interesse in radicaal verschillende componenten en architecturen ontstaan, omvattend AI-geoptimaliseerde hardware, in-memory en analog computing, en kwantumprocessoren. IBM Research is lang aan de voorhoede geweest van het verkennen van dergelijke breekbare concepten, de fysieke limiten sondes die morgen's informatieverwerkingsinfrastructuur kunnen vormen.

Nu heeft het IBM Research team in Zürich, in samenwerking met onderzoekers aan het Skolkovo Institute of Science and Technology (SIST) en de Universiteit van Southampton, de eerste cascadeerbare, all-optische transistor aangekondigd die bij omgevingstemperatuur opereert. Deze mijlpaal werd bereikt door de unieke eigenschappen van een organisch halfgeleider polymeer - methyl-gesubstitueerde ladder-type poly-[parafenylleen] (MeLPPP) - te benutten om een microcaviteit te creëren die een laserstraal toelaat een andere te schakelen, versterken of onderdrukken.

De doorbraak is gefeatured op de cover van het laatste nummer van het peer-reviewed tijdschrift Nature Photonics.

Waarom Het Belangrijk Is

All-optische componenten die informatie uitsluitend met licht verwerken, beloven dramatisch snellere schakeling, lager stroomverbruik, en nieuwe functionaliteiten zoals routing "vliegende qubits" voor kwantumcommunicatie of het mogelijk maken van blind kwantumcomputing. Het bouwen van dergelijke apparaten heeft zich echter als berucht moeilijk bewezen, en de zoektocht naar een all-optische computer heeft ruwweg vijf decennia gespand.

Om een optisch signaal met een ander optisch signaal te schakelen of versterken, is een mediërend materiaal vereist, want fotonen in vacuüm interageren niet. In deze transistor wordt de interactie gefaciliteerd door quasi-deeltjes genaamd exciton-polaritonen, die ontstaan in de organische halfgeleider. Een 35-nanometer laag MeLPPP is ingesloten tussen twee hoog reflecterende spiegels om een optische cavity te vormen waar exciton-polaritonen gegenereerd worden met een laser. Een exciton-polariton is een hybride van een elektronen-gat paar (exciton) en een foton, wat dit apparaat squarely plaatst in het opkomende veld van organische polariton transistors.

Deze transistor is de eerste van zijn soort die bij kamertemperatuur opereert, leverend een ongekende 6.500-voudige optische signaalversterking vanaf een apparaat slechts een paar micrometers lang. Die versterking is 330 keer groter dan wat bereikt is in anorganische tegenhangers, wat de benodigde cascadeerbaarheid voor logica operaties mogelijk maakt. Experimenten onthulden ook de hoogste netto optische winst ooit vastgelegd voor een optische transistor - ongeveer 10dB/µm.

Bovendien schakelt het apparaat in het sub-picosecond regime, bereikend snelheden in de multi-terahertz range zonder de noodzaak voor cryogene cooling - een groot voordeel ten opzichte van eerdere all-optische systemen.

Cruciaal, elimineert de organische polariton transistor een praktische beperking die anorganische ontwerpen belemmert: de pump laser in anorganische microcaviteiten moet onder een precieze hoek incident zijn om de transistor te triggeren. In het organische apparaat kan de pump laser vanuit virtually elke hoek gericht worden, wat ongekende flexibiliteit biedt voor het integreren van de transistor in vezel-gepigtailde systemen of planaire on-chip circuits.

Hoe Wij Het Deden

Het energielandschap van exciton-polariton toestanden wordt gedefinieerd door verschillende polariton branches die voortkomen uit sterke licht-materie koppeling tussen cavity fotonen en excitonen. Onze strategie benutte de bosonische aard van exciton-polariton en de aanwezigheid van uitgesproken vibrationele modi in de organische halfgeleider om een avalanche-achtige relaxatie van hete excitonen in de laagste polariton branch (de ground state) te induceren. Deze vibron-gemedieerde relaxatie pathway was ontworpen om te domineren over concurrerende interne conversie kanalen, en de experimenten bevestigden zijn effectiviteit.

Bereiken van Werkelijke Reusachtige Versterking

In de eerste stap gebruikten wij een non-resonante pump laser om een hoge dichtheid hete excitonen te genereren. De pump golflengte was getund om excitonen te produceren wier energie precies één vibrationele kwantum boven de lagere polariton branch lag. De gekozen vibrationele mode correspondeert met een "ademende" beweging van de aromatische ringen in het polymeer. Omdat de sterk gelokaliseerde excitonen een brede momentum distributie vertonen, is de pump's in-plane momentum component grotendeels irrelevant; dus kan de pump toegepast worden bij essentially elke hoek, vermijdend de strenge fase-matching constraints van anorganische microcaviteiten.

Naarmate de pump excitatie dichtheid toenem, observeerden wij een duidelijke overgang van het lineaire naar het non-lineaire regime, met een drempel van ongeveer 82µJ cm⁻². Door de ground polariton state te zaaien met een zwakke control beam (≈ 20nJ cm⁻² - meer dan drie ordes van grootte zwakker dan de non-resonante pump), verlaagden wij de condensatie drempel bijna tweevoudig en verhoogden de exciton-naar-polariton relaxatiesnelheid met een factor 50 onder dezelfde pump condities.

Ultrafaste All-Optische Schakeling

Sub-picosecond schakeltijden resulteren uit de combinatie van ultrafaste exciton relaxatie inherent aan organische halfgeleiders en de sub-picosecond cavity levensduur. In onze setup vestigt de pump beam de address state, gegateerd door de control beam. Met een controle-energie van slechts 1pJ bereikten wij een maximale extinctieratio van 17dB (ratio van de '1' tot '0' intensiteitsniveaus) en een schakelresponstijd van ruwweg 500fs.

Ten slotte demonstreerden wij de transistor's cascadeerbaarheid door een twee-fase versterkingsschema te implementeren. De emissie van de eerste fase's condensaat werd omgeleid op de chip en verder versterkt door een tweede pump. Gebruikmakend van gecascadeerde versterking realiseerden wij ook OR en AND logica gates door drie polariton transistors op dezelfde chip te koppelen binnen een enkele pump-dubbele-probe configuratie.

Samenvatting

Deze experimenten tonen vibron-gemedieerde dynamische polariton condensatie in een organische microcaviteit bij omstandigheden, wat all-optische versterking, sub-picosecond schakeling en cascadeerbare logica operaties mogelijk maakt. De combinatie van betrouwbare, ultrasnelle schakeling en record-brekkende optische winst ebent de weg voor on-chip, all-optische circuitry capabel van terahertz-rate logica operaties. Wanneer gekoppeld met de recente vooruitgang in sterke polariton-polariton interacties geobserveerd in anorganische microcaviteiten, zouden dergelijke transistors uiteindelijk met slechts een paar fotonen kunnen opereren, wat schakelenergieën in het attojoule regime duwt.

A room-temperature organic polariton transistor, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt & Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, pages 378–383 (2019)