Các nhà cung cấp phí thực và ảo được sử dụng để tạo cổng logic cực nhanh
Thông tin công nghệ

Máy tính siêu nhanh sắp ra mắt: Laser Bursts thúc đẩy các cổng logic nhanh nhất từ trước đến nay

Real and Virtual Charge Carriers Used To Create Ultrafast Logic Gates

Các xung laze đồng bộ (đỏ và xanh) tạo ra một loạt các hạt mang điện tích thực và ảo trong graphene được kim loại vàng hấp thụ để tạo ra dòng điện ròng. Ignacio Franco, phó giáo sư hóa học và vật lý tại Đại học Rochester, cho biết: “Chúng tôi đã làm rõ vai trò của các hạt mang điện tích thực và ảo trong dòng điện cảm ứng bằng laser, và điều đó đã mở ra con đường tạo ra các cổng logic cực nhanh. Tín dụng: Hình minh họa của Đại học Rochester / Michael Osadciw

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một bước quyết định để tạo ra máy tính siêu nhanh.

Nhiệm vụ lâu dài của khoa học và công nghệ là tạo ra thiết bị điện tử và xử lý thông tin hoạt động gần với tốc độ thời gian nhanh nhất mà quy luật tự nhiên cho phép.

Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để đạt được mục tiêu này bao gồm việc sử dụng ánh sáng laser để hướng dẫn chuyển động của các electron trong vật chất, và sau đó sử dụng điều khiển này để phát triển các phần tử mạch điện tử – một khái niệm được gọi là điện tử sóng ánh sáng.

Đáng chú ý, tia laze hiện cho phép chúng ta tạo ra các vụ nổ điện trên khoảng thời gian femto giây — nghĩa là trong một phần triệu của một phần tỷ giây. Tuy nhiên, năng lực của chúng tôi để xử lý thông tin ở những khoảng thời gian cực nhanh như vậy vẫn còn khó nắm bắt.

“Bây giờ chúng tôi biết rằng điện tử sóng ánh sáng là thực tế có thể.” – Tobias Boolakee

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester và Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) đã thực hiện một bước quyết định theo hướng này bằng cách chứng minh một cổng logic — khối xây dựng của tính toán và xử lý thông tin — hoạt động ở thang thời gian femto giây. Kỳ tích, được báo cáo vào ngày 11 tháng 5 trên tạp chí Nature , được thực hiện bằng cách khai thác và điều khiển độc lập, lần đầu tiên, các hạt mang điện tích thực và ảo tạo ra các vụ nổ điện cực nhanh này.

Những tiến bộ của các nhà nghiên cứu đã mở ra cánh cửa cho việc xử lý thông tin ở giới hạn petahertz, nơi có thể xử lý một triệu tỷ thao tác tính toán mỗi giây. Tốc độ đó nhanh hơn gần một triệu lần so với các máy tính ngày nay hoạt động với tốc độ xung nhịp gigahertz, trong đó 1 petahertz là 1 triệu gigahertz.

“Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách khoa học cơ bản có thể dẫn đến các công nghệ mới”, Ignacio Franco, phó giáo sư hóa học và vật lý tại Rochester, người đã cộng tác với nghiên cứu sinh tiến sĩ Antonio José Garzón-Ramírez ’21 (Tiến sĩ), nói. các nghiên cứu lý thuyết dẫn đến khám phá này.

Tia laze tạo ra dòng điện cực nhanh

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã học cách khai thác các xung laser kéo dài vài femto giây để tạo ra các luồng điện cực nhanh. Ví dụ, điều này được thực hiện bằng cách chiếu sáng các sợi dây nhỏ làm bằng graphene nối hai kim loại vàng. Xung laser siêu ngắn tạo ra chuyển động hay còn gọi là “kích thích” các electron trong graphene và quan trọng là gửi chúng theo một hướng cụ thể – do đó tạo ra dòng điện ròng.

Xung laser có thể tạo ra điện nhanh hơn nhiều so với bất kỳ phương pháp truyền thống nào — và làm như vậy trong trường hợp không có điện áp đặt vào. Hơn nữa, hướng và cường độ của dòng điện có thể được điều khiển đơn giản bằng cách thay đổi hình dạng của xung laser (nghĩa là bằng cách thay đổi pha của nó).

Bước đột phá: Khai thác các sóng mang điện tích thực và ảo

Các nhóm nghiên cứu của Franco và Peter Hommelhoff của FAU đã làm việc trong vài năm để biến sóng ánh sáng thành xung dòng điện cực nhanh.

Khi cố gắng kết hợp các phép đo thực nghiệm tại Erlangen với các mô phỏng tính toán tại Rochester, nhóm nghiên cứu đã nhận ra rằng: Trong các mối nối vàng-graphene-vàng, có thể tạo ra hai mùi vị – “thực” và “ảo” —của các hạt mang điện tích tạo ra các vụ nổ điện này.

  • Các hạt mang điện tích “thực” là các electron bị kích thích bởi ánh sáng và vẫn chuyển động có hướng ngay cả sau khi tắt xung laze.
  • Các hạt mang điện tích “ảo” là các electron chỉ được đặt trong chuyển động có hướng thuần khi xung laser đang bật. Do đó, chúng là loài khó nắm bắt, chỉ sống nhất thời trong thời gian được chiếu sáng.

Bởi vì graphene được kết nối với vàng, các hạt mang điện tích thực và ảo đều bị kim loại hấp thụ để tạo ra dòng điện ròng.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bằng cách thay đổi hình dạng của xung laser, họ có thể tạo ra các dòng điện trong đó chỉ có các hạt mang điện tích thực hoặc ảo đóng vai trò. Nói cách khác, họ không chỉ tạo ra hai dòng điện mà còn học cách điều khiển chúng một cách độc lập, một phát hiện làm tăng thêm mạnh mẽ các yếu tố thiết kế trong điện tử sóng ánh sáng.

Cổng logic thông qua tia laser

Sử dụng bối cảnh điều khiển tăng cường này, lần đầu tiên nhóm đã có thể chứng minh bằng thực nghiệm các cổng logic hoạt động trên thang thời gian femto giây.

Cổng logic là khối xây dựng cơ bản cần thiết cho các phép tính. Chúng kiểm soát cách thông tin đến, có dạng 0 hoặc 1 (được gọi là bit), được xử lý như thế nào. Cổng logic yêu cầu hai tín hiệu đầu vào và mang lại một đầu ra logic.

Trong thí nghiệm của các nhà nghiên cứu, các tín hiệu đầu vào là hình dạng hoặc pha của hai xung laser đồng bộ, mỗi xung được chọn để chỉ tạo ra một loạt các hạt mang điện tích thực hoặc ảo. Tùy thuộc vào các giai đoạn laser được sử dụng, hai đóng góp này cho dòng điện có thể cộng lại hoặc triệt tiêu. Tín hiệu điện ròng có thể được gán thông tin logic 0 hoặc 1, tạo ra cổng logic cực nhanh.

Tobias Boolakee, người đứng đầu các nỗ lực thử nghiệm với tư cách là một nghiên cứu sinh tại FAU cho biết: “Có lẽ sẽ còn rất lâu nữa kỹ thuật này mới có thể được sử dụng trong chip máy tính, nhưng ít nhất chúng ta biết rằng điện tử sóng ánh sáng là thực tế có thể thực hiện được.

Garzón-Ramírez ’21 (Tiến sĩ), hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học McGill cho biết: “Kết quả của chúng tôi mở đường cho việc xử lý thông tin và điện tử cực nhanh.

“Điều đáng kinh ngạc về cổng logic này,” Franco nói, “là các hoạt động được thực hiện không phải trong gigahertz, như trong máy tính thông thường, mà bằng petahertz, nhanh hơn một triệu lần. Điều này là do các xung laser thực sự ngắn được sử dụng xảy ra trong một phần triệu của một phần tỷ giây ”.

Từ nguyên tắc cơ bản đến ứng dụng

Công nghệ mới, có khả năng biến đổi này nảy sinh từ những nghiên cứu cơ bản về cách điện tích có thể được điều khiển trong các hệ thống kích thước nano bằng tia laser.

Franco nói: “Thông qua lý thuyết cơ bản và mối liên hệ của nó với các thí nghiệm, chúng tôi đã làm rõ vai trò của các hạt mang điện tích ảo và thực trong dòng điện cảm ứng bằng laser, và điều đó đã mở ra con đường tạo ra các cổng logic siêu nhanh.

Nghiên cứu đại diện cho hơn 15 năm nghiên cứu của Franco. Năm 2007, khi còn là nghiên cứu sinh tại Đại học Toronto, ông đã nghĩ ra phương pháp tạo ra dòng điện cực nhanh trong các dây dẫn phân tử tiếp xúc với xung laser femto giây. Đề xuất ban đầu này sau đó đã được thực hiện bằng thực nghiệm vào năm 2013 và cơ chế chi tiết đằng sau các thí nghiệm đã được nhóm Franco giải thích trong một nghiên cứu năm 2018 . Kể từ đó, Franco gọi là tăng trưởng lý thuyết và thực nghiệm “bùng nổ” trong lĩnh vực này.

Ông nói: “Đây là một lĩnh vực mà lý thuyết và thí nghiệm thách thức lẫn nhau, và khi làm như vậy, sẽ tiết lộ những khám phá cơ bản mới và những công nghệ đầy hứa hẹn.

Để biết thêm về nghiên cứu này, hãy xem Xung laser để xử lý tín hiệu cực nhanh có thể làm cho máy tính nhanh hơn 1 triệu lần.

Tham khảo: “Điều khiển trường ánh sáng của các sóng mang điện tích thực và ảo” của Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco và Peter Hommelhoff, ngày 11 tháng 5 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-022-04565-9

Phòng thí nghiệm Franco được hỗ trợ thông qua các giải thưởng từ chương trình Tính toán và Lý thuyết Hóa học của Quỹ Khoa học Quốc gia và Học bổng Khoa Leonard Mandel tại Đại học Rochester.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.