Ultraszybkie impulsy laserowe rzucają nowe światło na przyszłe obliczenia
Prawo Moore’a mówi, że prędkość obliczeniowa komputerów powinna się podwajać co dwa lata. Prognoza ta wydaje się sprawdzać, ale ostatecznie mikrochipy krzemowe staną się tak małe i szybkie, że oddziaływania atomowe zaczną uniemożliwiać dalsze postępy. Finansowany ze środków UE projekt DIVI ma na celu wyeliminowanie tych ograniczeń, dzięki prowadzeniu badań nad elektroniką światłowodową, w której sterowanie i kontrola elektronów w skali atomowej będzie odbywać się z zastosowaniem praw optyki.
Moc obliczeniowa nowej generacji
„Materiałem będą nie półprzewodniki, ale sztuczne kryształy molekularne i metamateriały”, mówi Peter Baum, koordynator projektu DIVI. „Będą one pracować przy częstotliwościach optycznych, 100 teraherców, czyli ponad 1 000 razy większych niż w tradycyjnej elektronice”. W komputerach światłowodowych elektrony przechodzą przez materiał dzięki niezwykle szybkim oscylacjom światła laserowego, dlatego możliwe będzie osiągnięcie prędkości i kontroli nieosiągalnych w istniejącej elektronice. Tradycyjne komponenty krzemowe zostały zastąpione strukturami atomowymi i metamateriałami – maleńkimi macierzami antenowymi, mniejszymi niż długość fali światła, które będą regulować amplitudę i fazę światła zgodnie z wymaganiami. Wyzwaniem stojącym przed zespołem projektu DIVI było zwizualizowanie i kontrolowanie ultraszybkich zmian w tych metamateriałach w chwili ich oddziaływania ze światłem. „Cała materia, czy to w stanie gazowym, ciekłym, czy stałym, składa się ze złożonych konfiguracji atomów połączonych elektronami, które również pozostają w złożonych konfiguracjach, a cały ten układ jest dynamiczny”, wyjaśnia Baum. „Naszym celem jest zwizualizowanie zmian w skali atomowej w przestrzeni i czasie, a następnie ich kontrolowanie”.
Mikroskopia elektronowa
Do stworzenia wizualizacji czasoprzestrzennej zespół z Uniwersytetu w Konstancji wykorzystał mikroskop elektronowy połączony z laserem, który wysyłał impulsy w odstępach krótszych niż jedna milionowa jednej miliardowej sekundy, czyli w tempie oscylacji pola elektromagnetycznego fali świetlnej. Baum nazywa to urządzenie attosekundowym mikroskopem elektronowym. Badania doprowadziły do serii przełomowych osiągnięć technologicznych, następnie zespół przeprowadził eksperymenty udowadniając koncepcje. Wyniki zostały opublikowane w kilku czasopismach, na przykład dwukrotnie w „Science” w 2016 roku, a później w „Nature Physics” oraz w „Science Advances”. „Nagraliśmy materiał filmowy ukazujący w wielu wymiarach zachowanie fal świetlnych, które oscylują wokół elementu metamateriału. Zobaczenie tego po raz pierwszy było niesamowitym doświadczeniem”, relacjonuje badacz. „Cieszymy się na myśl o przyszłych praktycznych zastosowaniach”.
Czas i przestrzeń
Badania były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Przeprowadzenie badań po prostu nie byłoby możliwe bez dofinansowania”, dodaje Baum. „To dzięki dofinansowaniu przyznanemu nam ze środków ERBN moglibyśmy nabyć niezbędny sprzęt i stworzyć zespół wiodących naukowców, aby zrealizować nasze pomysły”. Zespół zamierza wykorzystać swój nowy attosekundowy mikroskop elektronowy do zbadania jeszcze bardziej złożonych materiałów i metamateriałów. Celem jest rozpoczęcie budowy biblioteki komponentów, które mogą odtwarzać funkcje tradycyjnych obwodów, umożliwiając rozwój komputerów światłowodowych i nowatorskich komponentów optycznych. Najpierw jednak należy wykonać obserwacje ruchu elektronowego i atomowego w przestrzeni i czasie. Jak mówi Baum: „Można kontrolować tylko te rzeczy, które da się zmierzyć”.
Słowa kluczowe
DIVI, światłowód, komputery, teraherc, attosekunda, elektron, atomowy, czas, przestrzeń, metamateriał, Baum
