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Commutation optique plus rapide
Les ordinateurs deviennent plus rapides et les signaux de communication deviennent plus rapides, mais l'interface entre eux, où les électrons des circuits informatiques sont convertis en photons pour le câble à fibre optique, reste maladroite et lente. De nouveaux transistors qui reposent sur des particules virtuelles appelées excitons pourrait changer cela. Un exciton est un état d'excitation électrique qui peut passer d'un atome à un autre, tout comme le fait un courant électrique. Lorsqu'un exciton perd de l'énergie, il émet un photon, de sorte que les excitons sont bons pour la traduction entre les signaux électriques et optiques.
Circuit excitable : Une nouvelle puce conçue par des chercheurs du système de l'Université de Californie convertit les signaux optiques en flux de particules virtuelles appelées excitons, qui répondent aux champs électriques mais sont faciles à convertir en photons. Ici, trois flux d'excitons émanent du centre de la puce.
Le problème dans les systèmes existants est la barrière à l'interconnexion entre le signal optique et le signal électrique, dit Alex Haute , un étudiant diplômé de l'Université de Californie à San Diego (UCSD), qui a mené la recherche avec des collègues là-bas et à l'Université de Californie à Santa Barbara. Cela supprime cette étape supplémentaire. Étant donné que les excitons sont porteurs de lumière, vous pouvez les manipuler, effectuer des processus logiques sur la lumière sous forme d'excitons, puis libérer cette lumière à un autre endroit.
Les chercheurs ont créé de minuscules circuits intégrés surfondus faits d'arséniure de gallium qui peuvent envoyer des signaux d'excitons dans différentes directions ou fusionner deux signaux en un seul travail nécessaire pour gérer les rudiments de la logique informatique comme le font les circuits électroniques. La vitesse de calcul en elle-même peut ne pas être beaucoup plus rapide que celle d'une puce conventionnelle, dit Léonid Butov , qui a dirigé la recherche. Là où nous pouvons gagner en vitesse, c'est dans la transformation des photons. Butov a jusqu'à présent démontré une vitesse de commutation de 200 picosecondes, ce qui inclut à la fois le temps de calcul et la transformation des photons en excitons. La vitesse de conversion et de commutation conventionnelle varie en fonction du matériau, mais elle est d'un ordre de grandeur plus lente que celle du commutateur de Butov. (Il existe également sur le marché un commutateur tout optique qui n'a pas à convertir les signaux optiques en signaux électriques. Il a une vitesse de commutation de 50 picosecondes, mais en raison de sa grande taille, il ne peut effectuer que des opérations rudimentaires.) Et 200 picosecondes n'est même pas encore la réponse finale, dit Butov. Nous pouvons peut-être le rendre beaucoup plus rapide.
Une interface optique-électronique plus fluide a de larges implications. La fibre optique est le moyen le plus efficace de transporter de grandes quantités de données à la vitesse de la lumière, et elle est utilisée dans une myriade d'applications, des télécommunications à la détection de température en passant simplement par le transport d'informations d'une puce informatique à une autre. Mais à un moment donné, les signaux optiques doivent presque toujours être convertis en signaux électriques, que ce soit pour que votre PC de bureau puisse les comprendre ou pour qu'ils puissent être amplifiés lors d'un long voyage. Non seulement cette conversion est lente, mais les convertisseurs traditionnels sont chers, relativement gros et gourmands en énergie.
En contrôlant électriquement les excitons, les chercheurs californiens peuvent produire les rudiments d'une porte logique numérique. Ici, la même puce fait tourner un flux d'excitons à gauche, à droite ou à bifurquer simultanément sur deux voies.
Cependant, la nouvelle puce intégrée absorbe la lumière telle quelle, l'utilise si nécessaire et crache de la lumière de l'autre côté. Chaque fois qu'un photon frappe la puce, il force un électron chargé négativement à sortir d'un atome semi-conducteur, laissant derrière lui un trou chargé positivement. Sans intervention, l'électron et le trou se recombinent simplement. Mais l'équipe de l'UCSD utilise ce qu'on appelle des puits quantiques pour garder l'électron et le trou séparés mais suffisamment proches pour rester liés en une seule unité. Cette particule soigneusement liée est appelée un exciton indirect, et elle a la propriété étrange de se déplacer lorsqu'elle est placée dans un champ électrique même si elle est chargée de manière neutre. Poussés par des champs électriques, les excitons parcourent la puce le long d'un chemin prescrit jusqu'à ce qu'ils soient autorisés à se recombiner. Ensuite, ils libèrent leur énergie dans un éclair de lumière qui envoie le signal de communication vers sa prochaine destination.
Les puces prototypes doivent être refroidies à des températures inférieures à -234 ºC. Mais les chercheurs sont convaincus qu'ils seront capables de recréer leurs délicats puits quantiques dans des matériaux semi-conducteurs qui permettent aux excitons de se former à température ambiante.
Construire la puce de telle sorte que les champs électriques ne déchirent pas les excitons était l'un des principaux obstacles pour les scientifiques. Si ce champ devient trop fort, il peut déchirer l'électron et le trou. La conception des portes qui définissent les circuits excitons a nécessité de nouvelles idées de conception et un soin extrême dans leur mise en œuvre, explique Léonid Levitov , un scientifique du MIT. Je pense qu'il s'agit d'une réalisation fondamentale en physique des excitons qui peut également avoir des conséquences très pratiques et conduire à des applications.
Butov et ses collègues sont d'accord. Leurs images colorées de leurs puces montrent des flux d'excitons qui peuvent être forcés de virer à gauche ou à droite, qui peuvent être divisés pour emprunter les chemins gauche et droit, ou - à l'envers - qui peuvent voyager le long de deux chemins et se combiner en un seul flux. Alors que l'équipe souhaite démontrer des astuces supplémentaires, telles que l'amplification d'un signal, les photos montrent que leurs circuits peuvent être conçus pour effectuer n'importe quelle opération logique qu'une puce électronique traditionnelle peut effectuer. Et, disent les chercheurs, leur puce le fera mieux.