25 июля 2019 г., 17:27
Группа инженеров из Стэнфорда сделала важный шаг на пути к реализации полностью оптического компьютера, разработав первую достаточно компактную конструкцию фотонного диода — устройства, пропускающего свет только в одном направлении.
«Создание компактных и эффективных фотонных диодов имеет первостепенное значение для реализации следующего поколения технологий вычислительной техники, коммуникаций и даже преобразования энергии», — пишет Дженнифер Дионн (Jennifer Dionne), старший автор статьи об этой работе, вышедшей вчера в журнале Nature Communications.
Для того, чтобы заставить свет распространяться только в одном направлении, необходимы материалы, нарушающие Т-симметрию (т.е. симметрию по отношению к операции замене времени t в уравнениях на — t). Ранее эту задачу решали с помощью трёхкомпонентный схемы «изолятора Фарадея», состоящей из поляризатора света на входе, кристалла в магнитном поле, вращающего плоскость поляризации, и ещё одного поляризатора на выходе.
Недостаток такой схемы заключается в её громоздкости: чтобы обеспечить достаточно сильное вращение поляризации света диод должен быть непрактично большим.
Заслугой Дионн и её коллеги, Марка Лоуренса (Mark Lawrence) стало создание оптического диода нанометрового масштаба, благодаря тому, что вращение поляризации в кристалле задается не магнитным полем, а ещё одним лучом света. Этот луч поляризован таким образом, что его электрическое поле движется по спирали, генерируя в кристалле акустические колебания, которые и дают эффект вращения поляризации, сопоставимый с действием магнитного поля.
Сделать такую структуру миниатюрной и эффективной позволило применение для манипулирования светом мельчайших наноантенн и метаповерхностей. Авторы сконструировали массивы сверхтонких кремниевых дисков, которые, действуя попарно, захватывают свет и усиливают его спиральное движение до тех пор, пока луч не находит выход наружу. Результатом является высокая пропускная способность в прямом направлении и низкая — в обратном.
Хотя в симуляциях учёные работали со структурами толщиной 250 нм, теория не ограничивает возможностей миниатюризации такого оптического диода.
«Наши нанофотонные устройства могут позволить имитировать нейронные вычисления — с той же сложностью межсоединений и энергоэффективностью как и человеческий мозг, но на гораздо более высоких скоростях вычислений», — говорит Дионн. «Увеличенная скорость и полоса пропускания света позволят быстрее решать некоторые из самых сложных научных, математических и экономических проблем», — вторит ей Лоуренс.
На сегодняшний день стэнфордская команда уже проверила свой оптический диод с помощью компьютерного моделирования и расчетов. Учёные также создали необходимые наноструктуры и занимаются установкой источника света, что, как они надеются, позволит воплотить их пока теоретическую систему в реальность.
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365