Primeiro transistor de temperatura ambiente ultrarrápido totalmente ótico do mundo

Capa de a edição de junho da Nature Photonics. Imagem:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Design da capa:Bethany Vukomanovic

Os computadores digitais modernos mudaram nossas vidas de várias maneiras, mas a tecnologia na qual eles são construídos ainda tem espaço para melhorias. Como as cargas de trabalho computacionais continuam a crescer devido a grandes quantidades de dados e técnicas como inteligência artificial, tecnologias de computação mais poderosas tornam-se de extrema importância.

Dois dos principais pilares de nossos computadores digitais modernos são o transistor eletrônico e a arquitetura de computador von-Neumann. Enquanto a arquitetura de von-Neumann estabeleceu a separação física de tarefas de computação como armazenamento e processamento, os transistores são os blocos de construção fundamentais em nossos computadores digitais. Colocando cada vez mais transistores em chips cada vez menores, chegamos a construir dispositivos como nossos smartphones com ordens de magnitude mais poder de computação do que os grandes computadores usados ​​pela NASA para pousar os primeiros homens na lua.

Mas nenhuma dessas invenções tem garantia de permanecer conosco para sempre. Na verdade, nos últimos anos, testemunhamos um renascimento do interesse por componentes e arquiteturas radicalmente diferentes. O futuro da computação pode incluir hardware feito sob medida para IA, computação in-memory, analógica e quântica. Na IBM, os pesquisadores têm explorado esse tipo de nova tecnologia por muitos anos e estão investigando amplamente quais conceitos físicos poderiam ser aproveitados para alimentar nossa futura infraestrutura de processamento de informações.

IBM Research - equipe de Zurique:(da esquerda para a direita ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Agora, nossa equipe no Laboratório de Pesquisa IBM em Zurique junto com nossos parceiros do laboratório de pesquisa do Prof. Pavlos Lagoudakis no Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo e Southampton (uma colaboração estabelecida dentro da estrutura da rede de treinamento European Horizon-2020 SYNCHRONICS) , conseguiu construir o primeiro transistor totalmente óptico em cascata capaz de operar em temperatura ambiente. A equipe conseguiu isso explorando as propriedades do material de um polímero semicondutor orgânico. Com base neste material, uma microcavidade foi projetada em que um sinal óptico de entrada (um feixe de laser) pode ser ligado e desligado ou amplificado por outro feixe de laser.

O trabalho é capa da última edição da revista científica Nature Photonics.

Por que é importante

Componentes totalmente óticos que manipulam informações apenas com luz podem permitir comutação muito mais rápida e operações lógicas, bem como fornecer blocos de construção para novas aplicações, como roteamento de “qubits voadores” de transdução ótica de microondas quântica ou computação quântica cega. Mas esses componentes totalmente óticos são muito difíceis de construir. E, de fato, os esforços para fazer computadores totalmente ópticos já existem há cerca de 50 anos.

Para alternar ou amplificar um sinal óptico com outro sinal óptico, é necessário um material que medeie a interação. É apenas na natureza quântica dos feixes de luz que eles não interagem uns com os outros no vácuo. Em nosso transistor, a parte mediadora é feita por quase-partículas conhecidas como exciton-polaritons. Eles surgem em um semicondutor orgânico (poly- [parafenileno] do tipo escada substituído por metil ou MeLPPP) fornecido por nosso parceiro de longa data, Prof. Ullrich Scherf, da Universidade Wuppertal. Colocamos uma camada de 35 nanômetros de espessura de MeLPPP entre dois espelhos altamente reflexivos para formar uma cavidade óptica na qual os exciton-polaritons foram produzidos usando um laser. Um exciton-polariton consiste na superposição de um exciton (um par elétron-buraco) e um fóton. É por isso que nosso dispositivo se enquadra na categoria de transistores polariton orgânicos.

Pavlos Lagoudakis, Instituto de Ciência e Tecnologia de Skolkovo, Universidade de Southampton

Nosso transistor não é apenas o primeiro de seu tipo a funcionar em condições ambientais, mas também fornece uma amplificação de sinal óptico sem precedentes de 6500 vezes com um comprimento de dispositivo de apenas alguns micrômetros. Isso é 330 vezes maior do que a amplificação alcançada por sua contraparte inorgânica e permite a cascatabilidade, que é uma condição necessária para usar o transistor para portas lógicas. Em experimentos, nosso dispositivo também exibiu o maior ganho óptico líquido já observado para um transistor óptico (~ 10 dB / micrômetro) .

Além disso, nosso transistor apresenta comutação ultrarrápida na faixa de sub-picossegundos, o que o torna comparável em termos de velocidade de comutação multi-terahertz a alguns dispositivos totalmente ópticos anteriores, com a vantagem adicional de que nosso dispositivo não requer resfriamento criogênico para operar.

É importante ressaltar que nosso transistor polariton orgânico se livra de outra limitação presente em suas contrapartes inorgânicas que é relevante para fins práticos. Em microcavidades polariton inorgânicas, a bomba de laser usada para acionar a resposta do transistor deve ser direcionada ao dispositivo somente sob certos ângulos. Em nosso dispositivo orgânico, não há nenhum requisito específico sobre o ângulo da bomba de laser, o que dá muito maior flexibilidade na geometria da configuração e permite o pig-tailing de fibra do dispositivo óptico ou a criação de circuitos planares integrados com ele. Continue lendo para saber como alcançamos isso.

Para os especialistas:como fizemos

Em nosso material, os estados de energia dos exciton-polaritons são dados por vários ramos chamados polariton, que surgem da forte interação luz-matéria dos fótons da cavidade com os excitons. Nossa estratégia consistia em usar a natureza bosônica de exciton-polaritons e a ocorrência de fortes excitações vibracionais em nosso semicondutor orgânico para desencadear um relaxamento semelhante a uma avalanche dos excitons para o ramo polariton inferior (estado fundamental). Antecipamos que este canal de relaxamento mediado por vibron fosse forte o suficiente para vencer a competição entre os vários canais de conversão internos em nosso material. E nossas expectativas foram inteiramente confirmadas pelos experimentos.

Alcançando uma amplificação verdadeiramente gigante

Em uma primeira etapa, usamos uma bomba de laser para produzir uma grande população de excitons quentes. Ajustamos o comprimento de onda desse laser para produzir excitons com uma energia exatamente um quantum de energia vibrônica acima do ramo polariton inferior em nossa microcavidade. O modo vibrônico que exploramos aqui corresponde a um “modo respiratório” no qual unidades aromáticas em forma de anel dentro do polímero encolhem e expandem de uma forma que se assemelha a um pulmão respiratório. Como afirmado acima, só tínhamos que nos preocupar com a energia dos fótons do laser da bomba, mas não com seu componente de momento no plano. Isso é possível devido à ampla difusão na distribuição do momento dos excitons fortemente localizados em nosso material. Isso significa que o rigoroso requisito de correspondência de fase típico de microcavidades inorgânicas é irrelevante em nosso sistema e pode ser bombeado em quase qualquer ângulo.

Chip de vidro circular montado que contém o microrressonador óptico para o transistor polariton orgânico.

Com o aumento da densidade de excitação da bomba, observamos uma transição do regime linear para o não linear, com a densidade de limiar em aproximadamente 82 μJ cm ⁻² . Para diminuir o limiar e acelerar ainda mais o relaxamento dos excitons ao estado fundamental do polariton, semeamos esse estado fundamental com um feixe de controle. Esta semeadura se mostrou muito eficaz em acelerar o processo de relaxamento, apesar do fato de que a densidade de excitação do feixe de controle foi mantida constante em cerca de 20 nJ cm ⁻² , mais de três ordens de magnitude mais fraca do que a bomba não ressonante. Ao semear o estado do polariton terrestre, observamos um limiar quase duas vezes mais baixo para a condensação do polariton, enquanto a taxa de relaxamento de exciton para polariton foi aumentada por um fator de 50 sob a mesma densidade de excitação óptica não ressonante.

Comutação totalmente ótica ultrarrápida

Os tempos de comutação de subpicosegundos foram alcançados graças à combinação da dinâmica de relaxamento de exciton ultrarrápida, inerente aos semicondutores orgânicos, e ao tempo de vida da cavidade de subpicosegundos de nosso dispositivo. Em nossa configuração, o feixe da bomba formou o estado de endereço que foi ativado pelo feixe de controle. Mantendo a energia de comutação do feixe de controle em 1 pJ, atingimos uma taxa de extinção máxima (determinada como a razão de intensidade entre o estado '1' e '0') de 17 dB. O tempo de resposta para alternar entre os dois estados lógicos foi de aproximadamente 500 femtossegundos.

Finalmente, demonstramos o potencial dos transistores polariton orgânicos para cascatabilidade ao implementar a amplificação em cascata de dois estágios. Em nosso esquema, a emissão de condensado (Endereço 1) do primeiro estágio é redirecionada para o “chip” e amplificada posteriormente por uma segunda bomba. Além disso, empregamos o conceito de amplificação em cascata para demonstrar a operação das portas lógicas OR e AND por meio do acoplamento de três transistores polariton no mesmo “chip”, utilizando uma configuração óptica de bomba única e sonda dupla.

Anton Baranikov, Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo e Anton Zasedatelev, Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo, Universidade de Southampton

Resumo

Nossos experimentos demonstram condensação polariton dinâmica mediada por vibron em uma microcavidade orgânica em condições ambientais, permitindo amplificação polariton totalmente óptica, comutação em escalas de tempo sub-picossegundo, bem como cascadabilidade e operação de porta lógica OR e AND. O controle eficiente sobre o estado de endereço permite a comutação confiável entre os níveis lógicos "baixo" e "alto" com resposta transiente ultrarrápida, enquanto o ganho líquido gigante da estrutura dá origem ao registro da amplificação óptica na escala do micrômetro.

Os princípios desenvolvidos de condensação polariton dinâmica em combinação com o fluxo polariton sem fricção recentemente observado em microcavidades orgânicas [Lerario et al., Nat. Phys. 2017], abre caminho para circuitos no chip com operabilidade lógica ultrarrápida e totalmente ótica. Além disso, se pudéssemos explorar fortes interações polariton-polariton, onde um importante progresso acabou de ser mostrado no início deste ano com microcavidades inorgânicas [Delteil et al., Nat. Esteira. 2019 e Munoz-Matutano et al., Nat. Esteira. 2019], tais transistores seriam capazes de operar com apenas alguns fótons e, assim, reduzir drasticamente a energia de comutação necessária para o regime attojoule.

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Um transistor polariton orgânico à temperatura ambiente, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt e Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, páginas 378-383 (2019)