Τι θα γινόταν αν παλμοί υπερταχέους φωτός μπορούσαν να λειτουργήσουν υπολογιστές με ταχύτητες ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από τους σημερινούς κορυφαίους επεξεργαστές; Μια ομάδα επιστημόνων, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, εργάζεται προς αυτή την κατεύθυνση.
Φωτοτρανζίστορ: Διεθνής προσπάθεια για την εξέλιξη της τεχνολογίας
Σε μια διεθνή προσπάθεια, ερευνητές από το Τμήμα Φυσικής στη Σχολή Επιστημών και τη Σχολή Οπτικών Επιστημών James C. Wyant απέδειξαν έναν τρόπο να χειρίζονται ηλεκτρόνια σε γραφένιο με παλμούς φωτός που διαρκούν λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.
Με τη χρήση ενός φαινομένου κβαντικού μηχανικού που ονομάζεται «tunneling», κατέγραψαν ηλεκτρόνια που παρακάμπτουν ένα φυσικό εμπόδιο σχεδόν ακαριαία, ένα επίτευγμα που επαναπροσδιορίζει τα πιθανά όρια της «computer processing power».
Μία μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications δείχνει πώς αυτή η τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε ταχύτητες επεξεργασίας στον τομέα του petahertz – πάνω από 1.000 φορές ταχύτερα από τα σύγχρονα computer chips.
Η σημασία της ταχύτητας για την εξέλιξη των υπολογιστών
Η αποστολή δεδομένων σε αυτές τις ταχύτητες θα επαναστατικοποιήσει την «computing», δηλώνει ο Mohammed Hassan, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και οπτικών επιστημών. Ο Hassan έχει μακρά πορεία στην ανάπτυξη τεχνολογιών βασισμένων στο φως και είχε προηγουμένως ηγηθεί προσπαθειών για την κατασκευή του ταχύτερου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου στον κόσμο.
«Έχουμε βιώσει ένα τεράστιο άλμα στην ανάπτυξη τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη software», αναφέρει.
«Όμως, η ταχύτητα του hardware δεν εξελίσσεται με τον ίδιο ρυθμό. Με τη βοήθεια της ανακάλυψης των κβαντικών υπολογιστών, μπορούμε να αναπτύξουμε hardware που θα ταιριάζει με την επανάσταση στην τεχνολογία πληροφοριών. Οι υπερταχείς υπολογιστές θα βοηθήσουν σημαντικά σε έρευνες στο διάστημα, χημεία, υγειονομική περίθαλψη και άλλα πεδία».
Συνεργασίες και πειράματα
Ο Hassan συνεργάστηκε με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, όπως τον Nikolay Golubev, βοηθό καθηγητή φυσικής και τον Mohamed Sennary, φοιτητή μεταπτυχιακού στην οπτική και φυσική.
Συμμετείχαν επίσης οι Jalil Shah και Mingrui Yuan, φοιτητές στην οπτική, καθώς και συνεργάτες από το California Institute of Technology και το Ludwig Maximilian University of Munich στη Γερμανία.
Αρχικά, η ομάδα μελετούσε την ηλεκτρική αγωγιμότητα τροποποιημένων δειγμάτων γραφενίου, ενός υλικού που αποτελείται από μια μόνο στρώση από άτομα άνθρακα. Όταν ένα λέιζερ φωτίζει το γραφένιο, η ενέργεια του ενεργοποιεί ηλεκτρόνια, δημιουργώντας ρεύμα. Όμως, συχνά, αυτά τα ηλεκτρικά ρεύματα ακυρώνονται μεταξύ τους, λόγω της συμμετρικής δομής του γραφενίου και των αντιθετικών ρευμάτων που δημιουργούνται από το φως.
Το «tunneling» και η ανακάλυψη
Αντίθετα, τι θα συνέβαινε αν ένα ηλεκτρόνιο μπορούσε να περάσει μέσα από το γραφένιο και η διαδρομή του να καταγραφεί σε πραγματικό χρόνο; Αυτό το «near-instant» «tunneling» αποτέλεσε το απροσδόκητο αποτέλεσμα της ομάδας, που τροποποίησε διαφορετικά δείγματα γραφενίου.
«Αυτό που λατρεύω περισσότερο στην επιστήμη», λέει ο Hassan, «είναι οι πραγματικές ανακαλύψεις που προέρχονται από πράγματα που δεν περιμένεις να συμβούν. Πηγαίνοντας στο εργαστήριο, πάντα περιμένεις το τι θα προκύψει – αλλά η πραγματική ομορφιά της επιστήμης είναι τα μικρά πράγματα που συμβαίνουν και σε οδηγούν σε νέες αναζητήσεις. Μόλις αντιληφθήκαμε ότι είχαμε επιτύχει αυτό το tunneling effect, έπρεπε να μάθουμε περισσότερα».
Το πρωτοποριακό petahertz φωτοτρανζίστορ
Χρησιμοποιώντας ένα εμπορικά διαθέσιμο graphene phototransistor που τροποποιήθηκε με την εισαγωγή μιας ειδικής στρώσης από πυρίτιο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ που εναλλάσσεται μεταξύ ενεργοποίησης και απενεργοποίησης με ρυθμό 638 attoseconds. Αυτό οδήγησε στη δημιουργία του «Ταχύτερου κβαντικού petahertz transistor», όπως το αποκάλεσε ο Hassan.
Ένας transistor είναι μια συσκευή που λειτουργεί ως ηλεκτρονικό διακόπτης ή ενισχυτής και αποτελεί το θεμέλιο των σύγχρονων ηλεκτρονικών.
«Για αναφορά», εξηγεί ο Hassan, «ένα μόνο ατοσεκόντο είναι το ένα-quintillionth του δευτερολέπτου, δηλαδή ένα τρισεκατομμύριο φορές μικρότερο από ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η επίτευξη αποτελεί ένα μεγάλο άλμα στην ανάπτυξη υπερταχέων τεχνολογιών υπολογιστικής, με την πραγματοποίηση ενός petahertz-speed transistor».
Πλεονεκτήματα
Ενώ ορισμένες επιστημονικές πρόοδοι πραγματοποιούνται υπό αυστηρές συνθήκες, όπως υψηλή θερμοκρασία και πίεση, το νέο transistor λειτούργησε σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, ανοίγοντας τον δρόμο για εμπορική χρήση και ενσωμάτωση σε καθημερινά ηλεκτρονικά.
Ο Hassan συνεργάζεται με την Tech Launch Arizona για την εμπορική αξιοποίηση των εφευρέσεων αυτών, προκειμένου να κατοχυρωθούν με πατέντες και να διατεθούν στην αγορά. Παρόλο που η αρχική εφεύρεση χρησιμοποίησε ένα ειδικό λέιζερ, οι ερευνητές συνεχίζουν την ανάπτυξη ενός transistor συμβατού με εμπορικό εξοπλισμό.
«Ελπίζω να συνεργαστούμε με βιομηχανικούς εταίρους για να υλοποιήσουμε αυτό το petahertz-speed transistor σε ένα μικροτσίπ», δηλώνει ο Hassan. «Το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα ήδη είναι γνωστό για το ταχύτερο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στον κόσμο και θα θέλαμε να γίνουμε γνωστοί και για το πρώτο petahertz-speed transistor».
Περισσότερες πληροφορίες
Για περισσότερες λεπτομέρειες, δείτε την εργασία του Mohamed Sennary και συνεργατών: Light-induced quantum tunnelling current in graphene, Nature Communications (2025).
DOI: 10.1038/s41467-025-59675-5
Πηγή: University of Arizona
