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世界上第一个超快全光室温晶体管

封面《自然光子学》6 月刊。图片:Anton V. Zasedatelev,Skoltech。封面设计:Bethany Vukomanovic

现代数字计算机以多种方式改变了我们的生活,但构建它们的技术仍有一些改进空间。由于海量数据和人工智能等技术导致计算工作负载持续增长,更强大的计算技术变得至关重要。

我们现代数字计算机的两个主要支柱是电子晶体管和冯诺依曼计算机架构。虽然冯诺依曼架构建立了存储和处理等计算任务的物理分离,但晶体管是我们数字计算机的基本构建块。通过在越来越小的芯片上塞入越来越多的晶体管,我们已经开始构建像我们的智能手机这样的设备,其计算能力比 NASA 用来让第一批人类登上月球的大型计算机高出几个数量级。

但这些发明都不能保证永远留在我们身边。事实上,近年来我们目睹了对完全不同的组件和架构的兴趣的复兴。计算的未来可能包括人工智能定制的硬件、内存、模拟和量子计算。在 IBM,研究人员多年来一直在探索这种新技术,并且正在广泛研究可以利用哪些物理概念来为我们未来的信息处理基础设施提供动力。

IBM Research – 苏黎世团队:(从左到右) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

现在,我们在苏黎世 IBM 研究实验室的团队与来自斯科尔科沃科技学院和南安普敦的 Pavlos Lagoudakis 教授研究实验室的合作伙伴(在欧洲地平线 2020 培训网络 SYNCHRONICS 框架内建立的合作) ,已成功构建出第一个能够在室温下工作的级联全光晶体管。该团队通过利用有机半导体聚合物的材料特性实现了这一目标。基于这种材料,设计了一个微腔,在其中可以打开和关闭输入的光信号(激光束)或被另一束激光束放大。

最新一期同行评审期刊《自然光子学》的封面上刊登了这项工作。

为什么重要

仅用光操纵信息的全光学组件可以实现更快的切换和逻辑操作,并为新应用提供构建模块,例如从量子微波光传输或盲量子计算路由“飞行量子位”。但是这样的全光学元件很难制造。事实上,制造全光计算机的努力已经存在了大约 50 年。

为了用另一个光信号切换或放大一个光信号,需要一种介导相互作用的材料。只是在光束的量子性质中,它们在真空中不会相互作用。在我们的晶体管中,中介部分是由称为激子极化子的准粒子完成的。它们出现在我们的长期合作伙伴伍珀塔尔大学的 Ullrich Scherf 教授提供的有机半导体(甲基取代梯型聚 [对亚苯基] 或 MeLPPP)中。我们在两个高反射镜之间放置了 35 纳米薄的 MeLPPP 层,以形成一个光学腔,其中使用激光产生激子极化子。激子极化子包括激子(电子-空穴对)和光子的叠加。这就是为什么我们的器件属于有机极化晶体管的范畴。

Pavlos Lagoudakis,大学斯科尔科沃科技学院南安普顿

我们的晶体管不仅是同类产品中第一个在环境条件下工作的产品,它还提供前所未有的 6500 倍光信号放大,器件长度仅为几微米。这比其无机对应物获得的放大倍数高 330 倍,并允许级联,这是将晶体管用于逻辑门的必要条件。在实验中,我们的器件还表现出迄今为止观察到的光学晶体管的最高净光学增益 (~10 dB/微米)

此外,我们的晶体管具有亚皮秒范围内的超快开关特性,这使其在多太赫兹开关速度方面可与一些以前的全光器件相媲美,另外还有一个优势是我们的器件不需要低温冷却即可运行。

重要的是,我们的有机极化晶体管摆脱了与实际目的相关的无机对应物的另一个限制。在无机极化子微腔中,用于触发晶体管响应的泵浦激光器必须仅以特定角度指向器件。在我们的有机设备中,对泵浦激光器的角度没有特定要求,这为设置的几何形状提供了更大的灵活性,并允许对光学设备进行光纤尾纤或用它创建集成平面电路。请继续阅读以了解我们是如何实现这一目标的。

专家:我们是如何做到的

在我们的材料中,激子-极化子的能态由几个所谓的极化子分支给出,这些极化子分支是由腔光子与激子的强光-物质相互作用产生的。我们的策略包括使用激子极化子的玻色子性质和在我们的有机半导体中发生的强振动激发来触发激子到最低极化子分支(基态)的雪崩状弛豫。我们预计这种振动介导的弛豫通道足够强大,可以在我们的材料中胜过多个内部转换通道。而我们的期望也被实验彻底证实了。

实现真正的巨大放大

第一步,我们使用泵浦激光器产生大量热激子。我们调整了这种激光的波长,以产生激子,其能量恰好是我们微腔中较低极化子分支上方的一个振动能量量子。我们在这里利用的振动模式对应于“呼吸模式”,其中聚合物内的环状芳香单元以类似于呼吸肺的方式收缩和膨胀。如上所述,我们只需要关心泵浦激光光子的能量,而不是它们的面内动量分量。这是可能的,因为我们材料中强局域激子的动量分布广泛分布。这意味着无机微腔典型的严格相位匹配要求在我们的系统中是无关紧要的,它几乎可以在任何角度泵浦。

安装的圆形玻璃芯片,其中包含用于有机极化晶体管。

随着泵浦激发密度的增加,我们观察到从线性状态到非线性状态的转变,阈值密度大约为 82 μJ cm -2 .为了降低阈值并进一步加速激子弛豫到极化子基态,我们用控制光束播种了这个基态。尽管控制光束的激发密度保持恒定在大约 20 nJ cm -2 ,比非共振泵弱三个数量级以上。通过引入基极化子态,我们观察到极化子凝聚的阈值降低了近两倍,而在相同的非共振光激发密度下,激子到极化子的弛豫率增加了 50 倍。

超快全光交换

由于有机半导体固有的超快激子弛豫动力学和我们器件的亚皮秒腔寿命相结合,实现了亚皮秒开关时间。在我们的设置中,泵浦光束形成了由控制光束门控的地址状态。将控制光束的开关能量保持在 1 pJ,我们获得了 17 dB 的最大消光比(确定为“1”和“0”状态之间的强度比)。两种逻辑状态之间切换的响应时间大约为 500 飞秒。

最后,我们通过实现两级级联放大展示了有机极化晶体管的级联潜力。在我们的方案中,第一级的冷凝排放(地址 1)被重定向到“芯片”上,并由第二个泵进一步放大。此外,我们采用级联放大的概念来演示 OR 和 AND 逻辑门操作,通过在同一“芯片”上耦合三个极化晶体管,使用单泵双探针光学装置。

Anton Baranikov,斯科尔科沃科学技术研究所和安东Zasedatelev,南安普敦大学斯科尔科沃科技学院

总结

我们的实验证明了在环境条件下在有机微腔中振动介导的动态极化子凝聚,实现了全光极化子放大、亚皮秒时间尺度的切换以及级联性和 OR 和 AND 逻辑门操作。对地址状态的有效控制允许在具有超快瞬态响应的“低”和“高”逻辑电平之间进行可靠切换,同时该结构的巨大净增益产生了微米级的记录光学放大。

动态极化子凝聚的发展原理与最近观察到的有机微腔中的无摩擦极化子流相结合 [Lerario et al., Nat.物理2017],为具有超快、全光、逻辑可操作性的片上电路铺平道路。如果可以进一步利用强极化子 - 极化子相互作用,今年早些时候在无机微腔方面取得了重要进展 [Delteil 等人,Nat.垫。 2019 和 Munoz-Matutano 等人,Nat。垫。 2019],这样的晶体管将能够只用几个光子工作,从而大大降低所需的转换能量到阿焦耳范围。


室温有机极化晶体管, Anton V. Zasedatelev、Anton V. Baranikov、Darius Urbonas、Fabio Scafirimuto、Ullrich Scherf、Thilo Stöferle、Rainer F. Mahrt 和 Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics,第 13 卷,第 378–383 页(2019)


纳米材料

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