في جامعة يوتا ، خلقت عباءة غير مرئية للرقائق الضوئية

من Dan Hixson / University of Utah College of Engineering من عباءة Harry Potter غير المرئية إلى جهاز إخفاء Romulan جعل سفينة حربية غير مرئية في عالم Star Trek ، ظل السحر غير المرئي نتيجة لأوهام كتاب الخيال العلمي والحالمين. قرر العلماء الأمريكيون تصحيح هذه الحقيقة المزعجة وخلقوا "عباءة الخفاء" لمعالج الفوتون.

قام راجيش مينون ، الأستاذ في قسم الإلكترونيات وهندسة الكمبيوتر في جامعة يوتا ، وفريقه بتطوير حاجز حجب للأجهزة الضوئية السلبية المجهرية - وحدات شرائح الكمبيوتر الضوئية القياسية التي تعمل على نبضات الضوء بدلاً من التيار الكهربائي - لجعل الرقائق أصغر وأسرع وتستهلك طاقة أقل بكثير في المستقبل .

ميزة الرقائق الضوئية على السيليكون الحديث هي سرعة واستهلاك طاقة أقل. وبالتالي ، فإنها تنتج أيضًا حرارة أقل. في مثل هذا المعالج ، من الممكن زيادة كثافة الكتل الضوئية ، كل منها سيؤدي وظيفة معينة عن طريق القياس مع مليارات الترانزستورات في رقائق السيليكون الحديثة. على سبيل المثال ، ستقوم مجموعة واحدة من كتل الدائرة المصغرة بإجراء العمليات الحسابية ، وستقوم الأخرى بمعالجة البيانات ، وما إلى ذلك.

ومع ذلك ، هناك مشكلة: إذا كانت كتلتان ضوئيتان قريبتين جدًا من بعضهما البعض ، فلن تعمل ، لأن تسرب الضوء بينهما سيؤدي إلى "تداخل الإشارات" ، على غرار التداخل الراديوي. إذا وضعتهم على مسافة معينة ، فسيتم حل المشكلة ، ولكن في النهاية تحصل على معالج كبير.

لذا وجد مينون وفريقه أنه من الممكن وضع حاجز نانو خاص بالسيليكون بين كتلتين ضوئيتين ، تعمل بمثابة "عباءة" و "حيل" واحدة ، مختبئة عن الأخرى. "استخدمنا مبدأ مشابهًا لعباءة هاري بوتر غير المرئية. يتم إعادة توجيه الضوء الذي يدخل جهازًا واحدًا للخلف ، مما يحاكي غياب "جار". يبدو وكأنه حاجز - يوجه الضوء مرة أخرى إلى الجهاز الأصلي. يقول راجيش مينون: "من ناحية أخرى ، لا يوجد شيء".

من هذا يمكننا أن نستنتج أنه يمكن وضع مليارات الكتل الضوئية في بلورة واحدة. نظرًا لأن رقائق الفوتون تستخدم الفوتونات بدلاً من الإلكترونات لنقل البيانات ، فمن المحتمل أن تستهلك طاقة أقل من 10 إلى 100 مرة. من المستحسن استخدام هذه المعالجات في خوادم مراكز البيانات المشابهة لتلك المملوكة لشركات عملاقة مثل Google و Facebook ، لأنها تستهلك كمية كبيرة من الكهرباء. وفقًا لدراسة أجراها مختبر لورانس بيركلي الوطني ، استهلكت مراكز البيانات وحدها 70 مليار كيلو واط ساعة في عام 2014 ، وهو ما يمثل 1.8 ٪ من إجمالي استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة. وفقا للخبراء ، بحلول عام 2020 ، سيزيد الاستهلاك الإجمالي بنسبة 4 ٪ أخرى.

اليوم ، يتم استخدام المعالجات الضوئية بشكل رئيسي في المعدات العسكرية من الدرجة العالية. يقترح مينون أنه سيتم استخدام نفس الرقائق في مراكز البيانات لعدة سنوات. كما يعتقد أن تطويرها سيساعد في حل المشاكل البيئية العالمية: "من خلال الانتقال من الإلكترونيات إلى الضوئيات ، يمكننا أن نجعل أجهزة الكمبيوتر أكثر كفاءة ويكون لها في النهاية تأثير كبير على انبعاثات الكربون واستهلاك الطاقة لجميع أنواع الأجهزة. الآن كثير من الناس يحاولون حل هذه المشكلة ".

وقبل عام، قام فريق من العلماء راجيش مينون أدى تطويرإن مقسم الشعاع الصغير للغاية هو أصغر جهاز تم إنشاؤه على الإطلاق لتقسيم موجات الضوء إلى دفقين منفصلين من المعلومات. حجمها 2.4x2.4 ميكرون فقط. هذا هو ما يقرب من 1/50 من عرض شعر الإنسان وهو قريب من حد الإمكانات المادية لتصغير هذه الأجهزة. في السابق ، كان أصغر جهاز من هذا النوع يُعتبَر مقسمًا شعاعًا أكبر من 100x100 ميكرون.

كان هذا الاختراع بمثابة دافع واضح لإنشاء رقائق ضوئية سريعة. يمكن للضوئيات أن تزيد من قوة وسرعة الآلات مليون مرة: الحواسيب الفائقة وخوادم مراكز البيانات والأجهزة المتخصصة وأنظمة الطيار الآلي في السيارة وتكنولوجيا الكشف عن الأشياء في الطائرات بدون طيار. في نهاية المطاف ، يجب أن يصل إلى الأجهزة الاستهلاكية - أجهزة الكمبيوتر المنزلية والهواتف الذكية ، بالإضافة إلى تحسين التطبيقات: من الألعاب إلى بث الفيديو. يتم تطوير أول أجهزة الكمبيوتر الفوتونية الضوئية القائمة على السيليكون حاليًا في شركات مثل Intel و IBM. سوف يستخدمون رقائق هجينة ، تتكون جزئياً من عناصر سيليكون تقليدية ، مع عناصر جديدة - فوتونية.

يحاول العلماء الروس أيضًا مواكبة نظرائهم الغربيين في تطوير الأجهزة الضوئية. في عام 2015 ، ابتكر باحثون من جامعة موسكو الحكومية كجزء من مجموعة من العلماء الأجانب مفتاح نبض بصري. القرص الذي يبلغ قطره 250 نانومتر قادر على العمل في وقت محسوب بالفيمتوثانية (1 فمتوثانية هي مليون جزء من جزء من المليار من الثانية).

تم نشر مقال علمي في مجلة Nature Communications في 9 نوفمبر 2016.
DOI: 10.1038 / ncomms13126

Source: https://habr.com/ru/post/ar398985/