Όσο γρήγορη κι αν είναι η σύγχρονη ηλεκτρονική, θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο γρήγορη αν οι λειτουργίες βασίζονταν στο φως αντί για το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα οπτικά καλώδια μεταφέρουν ήδη πληροφορίες με την ταχύτητα του φωτός· όμως, για να γίνουν υπολογισμοί απευθείας πάνω σε αυτές τις πληροφορίες χωρίς να τις μετατρέπουμε ξανά σε ηλεκτρικά σήματα, απαιτούνται νέα οπτικά στοιχεία.
Η καινοτόμος φωτοτονική συσκευή
Ερευνητές στο John and Marcia Price College of Engineering ανέπτυξαν τώρα μια τέτοια συσκευή, η οποία μπορεί να προσαρμοστεί άμεσα ώστε να παρέχει στο φως διαφορετικούς βαθμούς κυκλικής πόλωσης. Επειδή η πληροφορία μπορεί να αποθηκευτεί σε αυτή την «χηρική» ιδιότητα του φωτός, η συσκευή αυτή μπορεί να λειτουργήσει ως πολύπλευρο, επαναπρογραμματιζόμενο στοιχείο σε ένα οπτικό υπολογιστικό σύστημα.
Η ομάδα πίσω από την έρευνα
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, ηγήθηκε από τον Weilu Gao, επίκουρο καθηγητή στο Τμήμα Ηλεκτρικής και Υπολογιστικής Μηχανικής, και τον υποψήφιο διδάκτορα Jichao Fan. Στην έρευνα συνέβαλαν επίσης οι Ruiyang Chen, Minhan Lou, Haoyu Xie, Benjamin Hillam, Jacques Doumani και Yingheng Tang, μέλη του εργαστηρίου Gao, καθώς και η Nina Hong από την εταιρεία J.A. Woollam.
«Ζωντανή» οπτική ύλη για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο
Όπως περιγράφει ο Gao, «η παραδοσιακή χηρική οπτική ήταν σα λαξευμένη πέτρα – όμορφη αλλά παγωμένη», καθιστώντας τη μη χρήσιμη για εφαρμογές που απαιτούν έλεγχο σε πραγματικό χρόνο, όπως επαναπρογραμματιζόμενοι οπτικοί υπολογιστές ή προσαρμοστικοί αισθητήρες.
Ο Fan προσθέτει πως «δημιουργήσαμε -ζωντανή- οπτική ύλη που εξελίσσεται με ηλεκτρικούς παλμούς», χάρη στο ετεροδομικό υλικό (heterostructure) που συνδυάζει τον έλεγχο του φωτός με τη μνήμη σε μια ενιαία, κλιμακούμενη πλατφόρμα.
Η δομή της συσκευής
Το «ετεροδομικό» υλικό αποτελείται από μια στοίβα πολλών λεπτών στρωμάτων, μεταξύ των οποίων βρίσκεται ένας συλλογικός προσανατολισμός νανοσωληνίσκων άνθρακα. Άλλα στρώματα περιλαμβάνουν το υλικό GST, ένα γνωστό «φάσης αλλαγής» (phase-change material ή PCM). Όταν ένας ηλεκτρικός παλμός διέρχεται από το στρώμα των νανοσωληνίσκων, προκαλεί θέρμανση, η οποία μεταβάλλει τη δομή του PCM από αμορφική σε κρυσταλλική.
Οι νανοσωληνίσκοι άνθρακα λειτουργούν ταυτόχρονα ως χηρικά οπτικά στοιχεία και ως διαφανή ηλεκτρόδια για το switching του PCM, εξαλείφοντας την ανάγκη για ξεχωριστά στοιχεία ελέγχου.
Ρύθμιση της κυκλικής διχρωμία σε πραγματικό χρόνο
Αυτή η αλλαγή επηρεάζει την κυκλική διχρωμία του ετεροδομικού υλικού, δηλαδή την ικανότητα απορρόφησης διαφορετικών τύπων κυκλικά πολωμένου φωτός με διαφορετική ένταση. Χάρη σε εξελιγμένες τεχνικές κατασκευής και σχεδιασμό υποβοηθούμενο από τεχνητή νοημοσύνη, τα στρώματα συναρμολογούνται σε μια στοίβα χωρίς να χάνουν τις μεμονωμένες οπτικές τους ιδιότητες.
Έτσι, το υλικό μπορεί να μειώσει επιλεκτικά το ποσό αριστερά ή δεξιά κυκλικά πολωμένου φωτός που περνάει, ανάλογα με την κατάσταση του PCM. Επειδή η φάση μπορεί να αλλάξει με έναν ηλεκτρικό παλμό, η συνολική κυκλική διχρωμία προσαρμόζεται σε πραγματικό χρόνο.
Εφαρμογές και πλεονεκτήματα
Οι ερευνητές πέτυχαν την παραγωγή σε επίπεδο wafer, χάρη στην κλιμακούμενη κατασκευή νανοσωληνίσκων άνθρακα και φιλμ PCM. Ο έλεγχος της κυκλικής διχρωίας επιτρέπει ακριβή ρύθμιση της «στρέψης» του φωτός, όπου το «χέρι» (handedness) του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μνήμη σε ένα οπτικό κύκλωμα.
Εκτός από το πλεονέκτημα της ταχύτητας του φωτός σε σχέση με το ηλεκτρικό ρεύμα, το φως διαθέτει και άλλες ιδιότητες όπου η πληροφορία μπορεί να αποθηκευτεί παράλληλα.
Ο Gao αναφέρει: «Με την προσθήκη της κυκλικής διχρωμίας ως ανεξάρτητης παραμέτρου, δημιουργούμε ένα ορθογώνιο κανάλι πληροφορίας. Η ρύθμιση αυτής δεν επηρεάζει άλλες ιδιότητες, όπως το πλάτος ή το μήκος κύματος»
Πηγή: Πανεπιστήμιο της Γιούτα
