الترانزستورات الضوئية - مستقبل الإلكترونيات

جميع التقنيات تقريبًا ، رغم أنها تميل إلى التطوير ، أصبحت في النهاية متقادمة. هذا النمط لم يتجاوز الالكترونيات السيليكون. من السهل أن نلاحظ أن تقدمه قد تباطأ في السنوات الأخيرة بشكل كبير وغيرت عموما اتجاه تطورها.

لم يعد عدد الترانزستورات في الرقائق الدقيقة يتضاعف كل عامين ، كما كان من قبل. واليوم ، يزداد أداء الكمبيوتر ليس عن طريق زيادة وتيرة التشغيل ، ولكن عن طريق زيادة عدد النوى في المعالج ، أي من خلال زيادة إمكانيات العمليات الموازية.

ليس سراً أن أي كمبيوتر حديث مبني من مليارات صغيرة الترانزستوراتتمثل أجهزة أشباه الموصلات التي تجري التيار الكهربائي عند تطبيق إشارة التحكم.

ولكن كلما كان الترانزستور أصغر ، كلما كانت التأثيرات الزائفة والتسريبات الزائفة التي تتداخل مع تشغيله العادي وتشكل عقبة أمام إنشاء أجهزة أكثر إحكاما وأسرع.

تحدد هذه العوامل الحد الأساسي لتصغير حجم الترانزستور ، لذلك لا يمكن أن يكون لترانزستور السيليكون ، من حيث المبدأ ، سماكة تزيد عن خمسة نانومتر.

يكمن السبب المادي في حقيقة أن الإلكترونات التي تتحرك عبر أشباه الموصلات تهدر طاقتها ببساطة لأن هذه الجسيمات المشحونة لها كتلة. وكلما زاد تواتر الجهاز ، زاد فقدان الطاقة فيه.

مع انخفاض في حجم العنصر ، على الرغم من أنه يمكن تقليل فقدان الطاقة في شكل حرارة ، لا يمكن منع تأثير التركيب الذري. في الممارسة العملية ، يبدأ التركيب الذري نفسه في أن يصبح عقبة ، لأن حجم العنصر الذي تحقق حتى اليوم والذي يبلغ 10 نانومتر قابل للمقارنة من حيث الحجم بمئة ذرة من السيليكون.

تحل الإلكترونات محل الفوتونات

ولكن ماذا لو حاولت استخدام ليست الحالية ، ولكن الضوء؟ بعد كل شيء ، فإن الفوتونات ، على عكس الإلكترونات ، لا تحتوي على شحنة أو كتلة راحة ، وفي الوقت نفسه فهي أسرع الجسيمات. علاوة على ذلك ، لن تتداخل تدفقاتها بأطوال موجية مختلفة مع بعضها البعض أثناء التشغيل المتزامن.

وبالتالي ، مع الانتقال إلى التقنيات البصرية في مجال إدارة المعلومات ، يمكن للمرء الحصول على مزايا عديدة مقارنة بأشباه الموصلات (حيث تتحرك الجزيئات الثقيلة المشحونة عبرها).

يمكن معالجة المعلومات المرسلة عن طريق شعاع الضوء مباشرة في عملية نقلها ، ولن تكون نفقات الطاقة كبيرة كما هو الحال عند نقلها بواسطة شحنة كهربائية متحركة. وستكون الحسابات المتوازية ممكنة بفضل الموجات المطبقة ذات الأطوال المختلفة ، وبالنسبة للنظام البصري ، فلن يكون هناك أي تداخل كهرمغنطيسي لا يخاف منه.

لقد جذبت المزايا الواضحة للمفهوم البصري على المفهوم الكهربائي اهتمام العلماء لفترة طويلة. لكن اليوم ، تظل البصريات الحاسوبية مختلطة إلى حد كبير ، أي الجمع بين النهج الإلكترونية والبصرية.

بالمناسبة تم إنشاء أول حاسوب الكتروني الكتروني أولي في عام 1990 بواسطة Bell Labs ، وفي عام 2003 ، أعلنت Lenslet عن أول معالج بصري تجاري EnLight256 ، قادر على أداء ما يصل إلى 8000.000.000 عملية على عدد صحيح 8 بت في الثانية (8 تيراوب). ولكن على الرغم من الخطوات التي اتخذت بالفعل في هذا الاتجاه ، لا تزال هناك أسئلة في مجال الإلكترونيات الضوئية.

كان أحد هذه الأسئلة كما يلي. تشير الدوائر المنطقية إلى استجابة "1" أو "0" اعتمادًا على ما إذا كان حدثان قد حدثا - B و A.لكن الفوتونات لا تلاحظ بعضها البعض ، ويجب أن تعتمد استجابة الدائرة على شعاع ضوء.

منطق الترانزستور ، الذي يعمل مع التيارات ، يفعل ذلك بسهولة. وهناك الكثير من الأسئلة المماثلة. لذلك ، لا توجد حتى الآن أجهزة بصرية جذابة تجاريًا تعتمد على المنطق البصري ، على الرغم من وجود بعض التطورات. لذلك ، في عام 2015 ، أظهر علماء من مختبر المواد النانومترية والمواد الصلبة في جامعة ITMO في تجربة إمكانية التصنيع فائق السرعة الترانزستور البصرييتكون من جسيم واحد فقط من السيليكون.

حتى يومنا هذا ، يعمل مهندسون وعلماء العديد من المؤسسات على حل مشكلة استبدال السيليكون بالبدائل: إنهم يحاولون الجرافين، ثاني كبريتيد الموليبدينوم ، فكر في استخدام يدور الجسيمات وبالطبع - حول الضوء ، كوسيلة جديدة في الأساس لنقل المعلومات وتخزينها.

يعد التناظرية الضوئية للترانزستور هو المفهوم الأكثر أهمية ، والذي يتكون من حقيقة أنك تحتاج إلى جهاز يمكنه تمرير أو عدم تمرير الفوتونات بشكل انتقائي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخائن مرغوب فيه ، والذي يمكن أن يقطع الشعاع إلى أجزاء ويزيل بعض مكونات الضوء منه.

هناك بالفعل نماذج أولية ، لكن لديها مشكلة - أحجامها هائلة ، فهي أشبه بالترانزستورات من منتصف القرن الماضي ، عندما كان عصر الكمبيوتر قد بدأ للتو. إن تقليل حجم هذه الترانزستورات والفواصل ليست مهمة سهلة.

عقبة أساسية التغلب عليها

وفي الوقت نفسه في أوائل عام 2019 ، تمكن علماء من مختبر Skolteha للضوئيات الهجينة ، مع زملائه من IBM ، من بناء أول ترانزستور بصري قادر على العمل بتردد 2 THz وفي الوقت نفسه لا تحتاج على الإطلاق إلى التبريد إلى الصفر المطلق.

تم الحصول على النتيجة باستخدام النظام البصري الأكثر تعقيدًا ، والذي تم إنشاؤه من خلال العمل الشاق الذي قام به الفريق. والآن يمكننا أن نقول أن المعالجات الضوئية التي تقوم بعمليات في سرعة الضوء ، هي ، من حيث المبدأ ، حقيقية مثل اتصالات الألياف البصرية.

لقد اتخذت الخطوة الأولى! تم إنشاء ترانزستور بصري صغير لا يحتاج إلى تبريد ويمكنه العمل آلاف المرات بشكل أسرع من إنشاء سلف أشباه الموصلات الإلكتروني.

كما ذكر أعلاه ، كانت إحدى المشكلات الأساسية في إنشاء عناصر لأجهزة الكمبيوتر الخفيفة هي أن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض ، ومن الصعب للغاية التحكم في حركة جزيئات الضوء. ومع ذلك ، فقد وجد العلماء أن المشكلة يمكن معالجتها من خلال اللجوء إلى ما يسمى بولاريتون.

بولاريتون - واحدة من الجزيئات الافتراضية التي تم إنشاؤها حديثًا ، مثل الفوتون ، وقادرة على عرض خصائص الأمواج والجزيئات. يتضمن polariton ثلاثة مكونات: مرنان بصري ، يتكون من زوج من المرايا العاكسة ، تسجن فيه موجة ضوئية ، وكذلك بئر كمومية. يتم تمثيل البئر الكمومية بواسطة ذرة مع إلكترون يدور حولها ، وقادر على إصدار أو امتصاص كمية من الضوء.

في التجارب الأولى ، أظهر polariton شبه الجسيمية نفسه بكل مجده ، مما يدل على أنه يمكن استخدامه لإنشاء الترانزستورات وعناصر منطقية أخرى من أجهزة الكمبيوتر الخفيفة ، ولكن كان هناك واحد ناقص خطيرة - كان العمل ممكنا فقط في درجات حرارة منخفضة جدا بالقرب من الصفر المطلق.

لكن العلماء حلوا هذه المشكلة. لقد تعلموا إنشاء بولاريتونات ليس في أشباه الموصلات ، ولكن في نظائرها العضوية لأشباه الموصلات ، والتي احتفظت بجميع الخصائص الضرورية حتى في درجة حرارة الغرفة.

لدور هذه المادة polyparaphenylene - بوليمر تم اكتشافه مؤخرًا ، يشبه تلك المستخدمة في إنتاج الكيفلار ومجموعة متنوعة من الأصباغ.

بفضل جهاز خاص ، يمكن لجزيئات polyparaphenylene أن تنشئ مناطق خاصة داخلها يمكنها أن تؤدي وظيفة بئر كمية من polariton الكلاسيكية داخل نفسها.

بعد إحاطة فيلم من مادة polyparaphenylene بين طبقات من المواد غير العضوية ، وجد العلماء طريقة للتحكم في حالة بئر الكم عن طريق إجبار نوعين مختلفين من الليزر وإجبارهم على إصدار فوتونات.

أظهر النموذج الأولي التجريبي للترانزستور القدرة على تسجيل التبديل السريع وتضخيم إشارة الضوء مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة.

وقد سمح ثلاثة من هذه الترانزستورات بالفعل للباحثين بالتجمع أول تركيبات الإضاءة المنطقيةاستنساخ العمليات "AND" و "OR". نتيجة التجربة تشير إلى أن الطريق إلى الخلق أجهزة الكمبيوتر الخفيفة- اقتصادية وسريعة وصغيرة - مفتوحة في النهاية.