's Werelds eerste ultrasnelle volledig optische kamertemperatuurtransistor

Omslag van het juninummer van Nature Photonics. Afbeelding:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Omslagontwerp:Bethany Vukomanovic

Moderne digitale computers hebben ons leven op verschillende manieren veranderd, maar de technologie waarop ze zijn gebouwd, is nog voor verbetering vatbaar. Naarmate de computerworkloads blijven groeien als gevolg van enorme hoeveelheden gegevens en technieken zoals kunstmatige intelligentie, worden krachtigere computertechnologieën van het allergrootste belang.

Twee van de belangrijkste pijlers van onze moderne digitale computers zijn de elektronische transistor en de von-Neumann-computerarchitectuur. Terwijl de von-Neumann-architectuur de fysieke scheiding van computertaken zoals opslag en verwerking tot stand bracht, zijn transistors de fundamentele bouwstenen in onze digitale computers. Door steeds meer transistors op steeds kleinere chips te proppen, zijn we apparaten zoals onze smartphones gaan bouwen met een orde van grootte meer rekenkracht dan de grote computers die door NASA werden gebruikt om de eerste mannen op de maan te laten landen.

Maar geen van deze uitvindingen zal gegarandeerd voor altijd bij ons blijven. In feite zijn we de afgelopen jaren getuige geweest van een renaissance van interesse in radicaal verschillende componenten en architecturen. De toekomst van computergebruik kan bestaan ​​uit op AI afgestemde hardware, in-memory, analoge en kwantumcomputers. Bij IBM onderzoeken onderzoekers dat soort nieuwe technologieën al vele jaren en onderzoeken ze in grote lijnen welke fysieke concepten kunnen worden gebruikt om onze toekomstige informatieverwerkingsinfrastructuur aan te drijven.

IBM Research – Zürich-team:(van links naar rechts ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Nu, ons team in het IBM Research Lab in Zürich samen met onze partners van het onderzoekslab van Prof. Pavlos Lagoudakis aan het Skolkovo Institute of Science and Technology en Southampton (een samenwerking die is opgezet in het kader van het Europese Horizon-2020-trainingsnetwerk SYNCHRONICS) , is erin geslaagd de allereerste cascadeerbare, volledig optische transistor te bouwen die bij kamertemperatuur kan werken. Het team bereikte dit door gebruik te maken van de materiaaleigenschappen van een organisch halfgeleidend polymeer. Op basis van dit materiaal is een microholte ontworpen waarin een binnenkomend optisch signaal (een laserstraal) kan worden in- en uitgeschakeld of versterkt door een andere laserstraal.

Het werk staat op de omslag van de nieuwste editie van het peer-reviewed tijdschrift Nature Photonics.

Waarom het belangrijk is

Volledig optische componenten die informatie met alleen licht manipuleren, kunnen veel sneller schakelen en logische bewerkingen mogelijk maken, evenals bouwstenen bieden voor nieuwe toepassingen zoals het routeren van "vliegende qubits" van optische kwantumtransductie met microgolven of blinde kwantumcomputers. Maar zulke volledig optische componenten zijn erg moeilijk te bouwen. En in feite bestaan ​​er al zo'n 50 jaar pogingen om volledig optische computers te maken.

Om een ​​optisch signaal te schakelen of te versterken met een ander optisch signaal, is een materiaal nodig dat de interactie bemiddelt. Het zit gewoon in de kwantumaard van lichtstralen dat ze niet in vacuüm met elkaar interageren. In onze transistor wordt het bemiddelende deel gedaan door quasi-deeltjes die bekend staan ​​als exciton-polaritonen. Ze ontstaan ​​in een organische halfgeleider (methyl-gesubstitueerd ladder-type poly- [parafenyleen] of MeLPPP) geleverd door onze oude partner Prof. Ullrich Scherf van de Wuppertal University. We plaatsten een 35 nanometer dunne laag MeLPPP tussen twee sterk reflecterende spiegels om een ​​optische holte te vormen waarin exciton-polaritonen werden geproduceerd met behulp van een laser. Een exciton-polariton bestaat uit de superpositie van een exciton (een elektron-gatpaar) en een foton. Daarom valt ons apparaat in de categorie van organische polaritontransistors.

Pavlos Lagoudakis, Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie, Universiteit van Southampton

Onze transistor is niet alleen de eerste in zijn soort die onder omgevingsomstandigheden werkt, hij biedt ook een ongekende 6500-voudige optische signaalversterking met een apparaatlengte van slechts enkele micrometers. Dat is 330 keer hoger dan de versterking die wordt bereikt door zijn anorganische tegenhanger en maakt cascadering mogelijk, wat een noodzakelijke voorwaarde is om de transistor voor logische poorten te gebruiken. In experimenten vertoonde ons apparaat ook de hoogste netto optische winst ooit waargenomen voor een optische transistor (~10 dB/micrometer).

Bovendien beschikt onze transistor over ultrasnel schakelen in het sub-picoseconde bereik, wat hem vergelijkbaar maakt in termen van multi-terahertz schakelsnelheid met sommige eerdere volledig optische apparaten met als bijkomend voordeel dat ons apparaat geen cryogene koeling nodig heeft om te werken.

Belangrijk is dat onze organische polaritontransistor een andere beperking opheft die aanwezig is in zijn anorganische tegenhangers die relevant is voor praktische doeleinden. In anorganische polariton-microholtes moet de pomplaser die wordt gebruikt om de transistorrespons te activeren, alleen onder bepaalde hoeken op het apparaat worden gericht. In ons organische apparaat zijn er geen specifieke vereisten voor de hoek van de pomplaser, wat een veel grotere flexibiliteit geeft in de geometrie van de instelling en het mogelijk maakt om het optische apparaat met vezels mee te nemen of er geïntegreerde planaire circuits mee te creëren. Lees verder om te zien hoe we dit hebben bereikt.

Voor de experts:hoe we het hebben gedaan

  In ons materiaal worden de energietoestanden van exciton-polaritonen gegeven door verschillende zogenaamde polariton-takken, die ontstaan ​​door sterke licht-materie-interactie van de holtefotonen met de excitonen. Onze strategie bestond uit het gebruik van de bosonische aard van exciton-polaritonen en het optreden van sterke vibratie-excitaties in onze organische halfgeleider om een ​​lawine-achtige relaxatie van de excitonen naar de laagste polaritontak (grondtoestand) teweeg te brengen. We hadden verwacht dat dit door vibron gemedieerde ontspanningskanaal sterk genoeg zou zijn om de meerdere interne conversiekanalen in ons materiaal te overtreffen. En onze verwachtingen werden grondig bevestigd door de experimenten.

Een werkelijk gigantische versterking bereiken

In een eerste stap hebben we een pomplaser gebruikt om een ​​grote populatie hete excitonen te produceren. We hebben de golflengte van deze laser afgestemd om excitonen te produceren met een energie van precies één vibronische energiekwantum boven de lagere polaritontak in onze microholte. De vibronische modus die we hier hebben gebruikt, komt overeen met een "ademhalingsmodus" waarin ringvormige aromatische eenheden in het polymeer krimpen en uitzetten op een manier die lijkt op een ademhalingslong. Zoals hierboven vermeld, hoefden we ons alleen zorgen te maken over de energie van de pomplaserfotonen, maar niet over hun in-plane momentumcomponent. Dit is mogelijk vanwege de grote spreiding in de momentumverdeling van de sterk gelokaliseerde excitonen in ons materiaal. Dat betekent dat de strenge fase-afstemmingsvereiste die typisch is voor anorganische microholten niet relevant is in ons systeem en dat het onder bijna elke hoek kan worden gepompt.

Gemonteerde ronde glazen chip die de optische microresonator voor de organische polaritontransistor.

Met toenemende pompexcitatiedichtheid zagen we een overgang van het lineaire naar het niet-lineaire regime, met een drempeldichtheid van ongeveer 82 μJ cm ⁻² . Om de drempel te verlagen en de relaxatie van excitonen naar de polariton-grondtoestand verder te versnellen, hebben we deze grondtoestand gezaaid met een controlestraal. Deze enting bleek zeer effectief in het versnellen van het relaxatieproces, ondanks het feit dat de excitatiedichtheid van de controlestraal constant werd gehouden op ongeveer 20 nJ cm ⁻² , meer dan drie ordes van grootte zwakker dan de niet-resonerende pomp. Door de grondpolaritontoestand te zaaien, observeerden we een bijna tweemaal lagere drempel voor polaritoncondensatie, terwijl de exciton-naar-polariton-relaxatiesnelheid met een factor 50 werd verhoogd onder dezelfde niet-resonante optische excitatiedichtheid.

Ultrasnelle volledig optische schakeling

Sub-picoseconde schakeltijden werden bereikt dankzij de combinatie van ultrasnelle exciton-relaxatiedynamiek, inherent aan organische halfgeleiders, en de sub-picoseconde holtelevensduur van ons apparaat. In onze opstelling vormde de pompstraal de adresstatus die werd gepoort door de controlestraal. Door de schakelenergie van de stuurbundel op 1 pJ te houden, bereikten we een maximale extinctieverhouding (bepaald als de intensiteitsverhouding tussen de '1'- en de '0'-toestand) van 17 dB. De responstijd voor het schakelen tussen de twee logische toestanden was ongeveer 500 femtoseconden.

Ten slotte hebben we het potentieel van organische polaritontransistors voor cascadering aangetoond door tweetraps cascadeversterking te implementeren. In ons schema wordt de condensaatemissie (adres 1) van de eerste trap omgeleid naar de "chip" en verder versterkt door een tweede pomp. Verder hebben we het concept van cascadeversterking gebruikt om OR- en AND-logische poortwerking te demonstreren door drie polaritontransistors op dezelfde "chip" te koppelen met behulp van een optische opstelling met een enkele pomp en dubbele sonde.

Anton Baranikov, Skolkovo Institute of Science and Technology en Anton Zasedatelev, Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie, Universiteit van Southampton

Samenvatting

Onze experimenten demonstreren vibron-gemedieerde, dynamische polaritoncondensatie in een organische microholte bij omgevingsomstandigheden, waardoor volledig optische polaritonversterking mogelijk wordt, schakelen op sub-picoseconde tijdschalen evenals cascadabiliteit en OR- en AND-logische poortwerking. Efficiënte controle over de adresstatus maakt betrouwbaar schakelen tussen 'lage' en 'hoge' logische niveaus met ultrasnelle transiënte respons mogelijk, terwijl de gigantische nettowinst van de structuur aanleiding geeft tot optische versterking op micrometerschaal.

De ontwikkelde principes van dynamische polaritoncondensatie in combinatie met de recent waargenomen wrijvingsloze polaritonstroming in organische microholten [Lerario et al., Nat. Fys. 2017], de weg vrijmaken voor on-chip circuits met ultrasnelle, volledig optische, logische bediening. Als men bovendien sterke polariton-polariton-interacties zou kunnen benutten, waar eerder dit jaar belangrijke vooruitgang is geboekt met anorganische microholten [Delteil et al., Nat. Mat. 2019 en Munoz-Matutano et al., Nat. Mat. 2019], zouden dergelijke transistoren met slechts een paar fotonen kunnen werken en daardoor de benodigde schakelenergie naar het attojoule-regime drastisch verlagen.