نانومواد جدید سوئیچ رایانه‌های اپتیکی

محققان به تازگی نانوذراتی ساخته‌اند که می‌توانند بین وضعیت‌های تاریک و روشن تغییر حالت دهند. این ویژگی می‌تواند برای ایجاد سوئیچ‌های رایانه‌های فوتونیک در آینده مفید باشد.

به گزارش اکسپتریم، در دنیای محاسبات، وجود مواد با ویژگی‌های دوحالته (بستابیلیتی) برای سیستم‌های دیجیتال ضروری است؛ به این معنا که این مواد باید قادر به تغییر بین دو وضعیت متفاوت باشند که نمایانگر "۱" یا "۰" در منطق دیجیتال هستند. ترانزیستور‌های امروزی از مواد نیمه‌هادی، عمدتاً سیلیکون، استفاده می‌کنند که می‌توانند بین حالت‌های هادی و عایق تغییر وضعیت دهند.

متخصص نانوذرات آزمایشگاه برکلی، اموری چان، می‌گوید نانوذرات جدیدی که آنها ساخته‌اند، که در حدود ده‌ها نانومتر قطر دارند و اندازه بسیاری از ویژگی‌های میکروچیپ‌های مدرن را دارند، می‌توانند رفتار مشابهی برای سیستم‌های اپتیکی ارائه دهند.

این تحقیق از پژوهش‌های قبلی چان در مورد نانوذراتی که به شدت به نور لیزر واکنش نشان می‌دهند، سرچشمه گرفته است. تیم او طراحی‌های اولیه را در سال ۲۰۱۴ پس از استفاده از مدل‌های رایانه‌ای برای شبیه‌سازی نانوذراتی که می‌توانند طول موج‌های خاصی از نور را تولید کنند، ارائه داد. زمانی که آنها مواد پیشنهاد شده را ساختند، با پدیده‌ای شگفت‌انگیز رو‌به‌رو شدند. این نانوذرات خاصیت "شلیک فوتون‌های غیرمنتظره" را داشتند. این نانوذرات هنگامی که با لیزر تابیده می‌شوند، نور ساطع می‌کنند؛ اما هنگامی که قدرت لیزر کمی افزایش می‌یابد، افزایش شدیدی در درخشندگی آنها مشاهده می‌شود. این رفتار را "انفجار فوتون‌ها" یا "آوالانچینگ فوتون" می‌نامند. در سال ۲۰۲۱، تیم تحقیقاتی نشان داد که دو برابر شدن قدرت لیزر موجب افزایش ۱۰،۰۰۰ برابری شدت درخشش نانوذرات می‌شود.

در جدیدترین تحقیق، این تیم نانوذراتی ساخته است که ویژگی دوحالته (بستابیلیتی) دارند. این نانوذرات از هالید‌های سرب پتاسیم که با نئودیمیوم آلاییده شده‌اند ساخته شده‌اند. نئودیمیوم، که معمولاً در لیزر‌ها استفاده می‌شود، نقش کلیدی در ایجاد این ویژگی‌های اپتیکی دارد. نانوذرات در هنگام تابش نور روشن می‌شوند و حتی پس از کاهش قدرت لیزر، به درخشیدن ادامه می‌دهند. اما هنگامی که شدت لیزر به میزان کافی کاهش یابد، نانوذرات به حالت تاریک می‌روند. این تغییر وضعیت روشن و تاریک می‌تواند به‌عنوان یک ویژگی مفید برای ساخت سوئیچ‌های رایانه‌ای فوتونیک در نظر گرفته شود.

محققان قبلاً در سایر مواد نانو اپتیکی شاهد رفتار‌های تغییر حالت بوده‌اند، اما کنترل آنها دشوار بود، زیرا به تغییرات دما بستگی داشت. نانوذرات اپتیکی دوحالته جدید، که به شدت به قدرت و فرکانس نور لیزر حساس هستند، کنترل دقیق‌تری از رفتار آنها را ممکن می‌سازند.

این نانوذرات همچنین به نظر می‌رسد که حافظه‌ای از وضعیت‌های قبلی خود دارند. محققان قادر به کنترل مقاومت نانوذرات در برابر تغییرات پاسخ به تابش نور با تغییر فرکانس پالس نور ورودی بودند. در فرکانس‌های بالاتر، نانوذرات حالت‌های خود را به سختی تغییر می‌دهند، در حالی که با پالس‌های آهسته‌تر، نانوذرات سریع‌تر حالت قبلی خود را فراموش می‌کنند. چان این ویژگی را به کاهش دمای آب در یک قابلمه جوشان تشبیه می‌کند. وقتی دما پایین می‌آید، زمان می‌برد تا آب به دمای اتاق برسد، اما زمانی که هنوز داغ است، انرژی کمتری برای به جوش آوردن دوباره آن لازم است.

چان معتقد است که ممکن است بتوان از این ویژگی در سلول‌های حافظه آینده بهره‌برداری کرد و نوشتن داده‌ها در چنین دستگاه‌هایی به‌سرعت انجام شود.

چان می‌گوید:" تنها چیزی که تغییر می‌کند نحوه حرکت الکترون‌ها است".

در حال حاضر، خاصیت انفجار فوتون‌ها فقط در دما‌های پایین عمل می‌کند. گروه چان این اثر را در دمای ۱۶۰ کلوین (-۱۱۳ درجه سلسیوس) مشاهده کرد. آنها امیدوارند این رفتار را در دمای اتاق پیدا کنند. نتایج این تحقیق در شماره فوریه مجله Nature Photonics منتشر شده است.

انتهای پیام/