Nowy, całkowicie optyczny przełącznik wykorzystuje światło spolaryzowane kołowo i innowacyjny półprzewodnik do szybszego i wydajniejszego przetwarzania danych w systemach światłowodowych.
Technologia ta umożliwia znaczne oszczędności energii i wprowadza metodę kontrolowania właściwości kwantowych materiałów, obiecując znaczący postęp w obliczeniach optycznych i naukach podstawowych.
Nowoczesny szybki Internet wykorzystuje światło do szybkiego i niezawodnego przesyłania dużych ilości danych za pomocą kabli światłowodowych. Jednak gdy dane wymagają przetworzenia, sygnały świetlne stają się wąskim gardłem. Zanim będą mogły być dalej przesyłane, muszą zostać najpierw przekształcone w sygnały elektryczne w celu przetworzenia.
Całkowicie optyczny przełącznik oferuje rozwiązanie. Wykorzystuje światło do sterowania innymi sygnałami świetlnymi bez konieczności konwersji elektrycznej, co oszczędza czas i energię w światłowodowych systemach komunikacyjnych.
„Nasze wyniki otwierają drzwi do wielu nowych możliwości”.
Hui Denga
Przełom w technologii przełączników optycznych
Zespół badawczy kierowany przez Uniwersytet Michigan zademonstrował ultraszybki, całkowicie optyczny przełącznik wykorzystujący pulsujące światło spolaryzowane kołowo, które wije się jak helisa, przechodząc przez wnękę optyczną wyłożoną ultracienkim półprzewodnikiem. Ich badanie zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Urządzenie to może pełnić funkcję standardowego przełącznika optycznego, gdzie włączenie lub wyłączenie lasera sterującego powoduje przełączenie wiązki sygnału o tej samej polaryzacji. Może również działać jako bramka logiczna znana jako przełącznik Exclusive OR (XOR), który generuje sygnał wyjściowy, gdy jedno wejście świetlne obróci się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a drugie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ale nie wtedy, gdy oba obrócą się w tym samym kierunku.
„Ponieważ przełącznik jest najbardziej podstawowym elementem składowym każdej jednostki przetwarzania informacji, przełącznik całkowicie optyczny jest pierwszym krokiem w kierunku obliczeń w pełni optycznych lub budowy optycznych sieci neuronowych” – powiedział Lingxiao Zhou, doktorant fizyki na UM i główny autor badania.
„Niezwykle niskie zużycie energii jest kluczem do sukcesu obliczeń optycznych. Praca wykonana przez nasz zespół rozwiązuje właśnie ten problem.”
Stephena Forresta
Niskie straty w obliczeniach optycznych sprawiają, że są one bardziej pożądane niż obliczenia elektroniczne.
Postęp w informatyce optycznej
„Niezwykle niskie zużycie energii jest kluczem do sukcesu obliczeń optycznych. Prace wykonane przez nasz zespół rozwiązują właśnie ten problem, wykorzystując niezwykłe dwuwymiarowe materiały do przełączania danych przy bardzo niskich energiach na bit” – powiedział Stephen Forrest, profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Petera A. Frankena na Uniwersytecie UM i współautor książki badanie.
Aby to osiągnąć, badacze w regularnych odstępach czasu pulsowali laserem helikalnym przez wnękę optyczną – zestaw luster, które wielokrotnie wychwytują i odbijają światło w tę i z powrotem – zwiększając siłę lasera o dwa rzędy wielkości.
Gdy jednocząsteczkowa warstwa półprzewodnikowego diselenku wolframu (WSe2) jest osadzony we wnęce optycznej, silne, oscylujące światło powiększa pasma elektronowe dostępnych elektronów w półprzewodniku — powstaje nieliniowy efekt optyczny znany jako optyczny efekt Starka. Oznacza to, że kiedy elektron wskakuje na wyższą orbitę, pochłania więcej energii i emituje więcej energii, gdy skacze w dół, co jest znane jako przesunięcie niebieskie. To z kolei modyfikuje fluencję światła sygnalizacyjnego, czyli ilość energii dostarczonej lub odbitej na jednostkę powierzchni.
Wpływ na fizykę i technologię kwantową
Oprócz modulowania światła sygnalizacyjnego, optyczny efekt Starka wytwarza pole pseudomagnetyczne, które oddziałuje na pasma elektroniczne podobnie jak pole magnetyczne. Jego efektywna siła wynosiła 210 Tesli, czyli znacznie więcej niż Najsilniejszy magnes Ziemi o mocy 100 Tesli. Ogromną siłę odczuwają jedynie elektrony, których spiny są wyrównane ze spiralą światła, tymczasowo rozdzielając pasma elektronowe o różnych orientacjach spinów i kierując elektrony w ustawionych pasmach w tę samą orientację.
Zespół mógłby zmienić kolejność pasm elektronicznych o różnych spinach, zmieniając kierunek skrętu światła.
Krótka, jednolita kierunkowość spinu elektronów w różnych pasmach również łamie coś, co nazywa się symetrią odwrócenia czasu. Zasadniczo symetria odwrócenia czasu oznacza, że fizyka leżąca u podstaw procesu jest taka sama w przód i w tył, co oznacza zachowanie energii.
Chociaż zazwyczaj nie możemy tego zaobserwować w świecie makroskopowym ze względu na sposób, w jaki energia rozprasza się przez siły takie jak tarcie, gdybyś mógł nagrać film przedstawiający wirujące elektrony, przestrzegałby on praw fizyki, niezależnie od tego, czy odtwarzałeś go do przodu, czy do tyłu – elektron obracający się w jedną stronę zamieniłby się w elektron wirujący w drugą stronę z tą samą energią. Jednak w polu pseudomagnetycznym symetria odwrócenia czasu zostaje złamana, ponieważ po przewinięciu elektron wirujący w przeciwnym kierunku ma inną energię, a energię różnych spinów można kontrolować za pomocą lasera.
„Nasze wyniki otwierają drzwi do wielu nowych możliwości, zarówno w naukach podstawowych, gdzie kontrolowanie symetrii odwrócenia czasu jest wymogiem tworzenia egzotycznych stanów materii, jak i w technologii, gdzie możliwe staje się wykorzystanie tak ogromnego pola magnetycznego” – powiedział Hui Deng, badacz profesor fizyki oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej na UM oraz autor korespondencyjny opracowania.
Odniesienie: „Cavity Floquet Engineering” autorstwa Lingxiao Zhou, Bin Liu, Yuze Liu, Yang Lu, Qiuyang Li, Xin Xie, Nathanial Lydick, Ruofan Hao, Chenxi Liu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Yu-Hsun Chou, Stephen R. Forrest i Hui Deng, 6 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52014-0
Praca ta została sfinansowana przez Biuro Badań Armii (W911NF-17-1-0312); Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA2386-21-1-4066) Narodowa Fundacja Nauki (DMR 2132470); Biuro Badań Marynarki Wojennej (N00014-21-1-2770); oraz Fundacja Gordona i Betty Moore (GBMF10694).
Forrest jest także profesorem inżynierii Paula G. Goebela oraz profesorem elektrotechniki i informatyki, inżynierii i inżynierii materiałowej oraz fizyki.
