Ultraszybkie impulsy laserowe rzucają nowe światło na przyszłe obliczenia
Prawo Moore’a(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w „Science”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w 2016 roku, a później w „Nature Physics”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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”.
