Weltweit erster ultraschneller volloptischer Raumtemperaturtransistor

Cover of Juni-Ausgabe von Nature Photonics. Bild:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Cover-Design:Bethany Vukomanovic

Moderne digitale Computer haben unser Leben auf vielfältige Weise verändert, aber die Technologie, auf der sie basieren, hat noch Raum für Verbesserungen. Da die Rechenlasten aufgrund riesiger Datenmengen und Techniken wie künstlicher Intelligenz weiter ansteigen, werden leistungsfähigere Computertechnologien von größter Bedeutung.

Zwei der Hauptsäulen unserer modernen Digitalcomputer sind der elektronische Transistor und die von-Neumann-Computerarchitektur. Während die von-Neumann-Architektur die physikalische Trennung von Rechenaufgaben wie Speicherung und Verarbeitung etablierte, sind Transistoren die grundlegenden Bausteine ​​unserer digitalen Computer. Indem wir immer mehr Transistoren auf immer kleinere Chips stopfen, sind wir dazu gekommen, Geräte wie unsere Smartphones zu bauen, die um Größenordnungen mehr Rechenleistung haben als die großen Computer, mit denen die NASA die ersten Menschen auf dem Mond landete.

Aber keine dieser Erfindungen wird uns garantiert für immer bleiben. Tatsächlich haben wir in den letzten Jahren eine Renaissance des Interesses an radikal anderen Komponenten und Architekturen erlebt. Die Zukunft des Computing kann KI-maßgeschneiderte Hardware, In-Memory-, Analog- und Quantencomputing umfassen. Bei IBM erforschen Forscher seit vielen Jahren diese Art von neuartigen Technologien und untersuchen im Großen und Ganzen, welche physikalischen Konzepte genutzt werden könnten, um unsere zukünftige Informationsverarbeitungsinfrastruktur zu betreiben.

IBM Research – Zürich Team:(von links nach rechts ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Jetzt unser Team am IBM Research Lab in Zürich zusammen mit unseren Partnern aus dem Forschungslabor von Prof. Pavlos Lagoudakis am Skolkovo Institute of Science and Technology und Southampton (eine Zusammenarbeit, die im Rahmen des europäischen Horizon-2020 Trainingsnetzwerks SYNCHRONICS gegründet wurde) , ist es gelungen, den ersten kaskadierbaren, rein optischen Transistor zu bauen, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Dies erreichte das Team, indem es die Materialeigenschaften eines organischen halbleitenden Polymers ausnutzte. Basierend auf diesem Material wurde eine Mikrokavität konstruiert, in der ein eingehendes optisches Signal (ein Laserstrahl) ein- und ausgeschaltet oder durch einen anderen Laserstrahl verstärkt werden kann.

Die Arbeit ist auf dem Cover der neuesten Ausgabe der von Experten begutachteten Zeitschrift Nature Photonics zu sehen.

Warum es wichtig ist

Rein optische Komponenten, die Informationen allein mit Licht manipulieren, könnten viel schnellere Schalt- und logische Operationen ermöglichen und Bausteine ​​​​für neue Anwendungen wie das Routing von „fliegenden Qubits“ aus der optischen Quanten-Mikrowellen-Transduktion oder blindem Quantencomputing liefern. Aber solche rein optischen Komponenten sind sehr schwierig zu bauen. Und tatsächlich gibt es seit etwa 50 Jahren Bemühungen, rein optische Computer herzustellen.

Um ein optisches Signal mit einem anderen optischen Signal zu schalten oder zu verstärken, wird ein Material benötigt, das die Wechselwirkung vermittelt. Es liegt einfach in der Quantennatur von Lichtstrahlen, dass sie im Vakuum nicht miteinander wechselwirken. In unserem Transistor wird der vermittelnde Teil von Quasiteilchen übernommen, die als Exzitonen-Polaritonen bekannt sind. Sie entstehen in einem organischen Halbleiter (Methyl-substituiertes Ladder-Type-Poly-[paraphenylen] oder MeLPPP) unseres langjährigen Partners Prof. Ullrich Scherf von der Universität Wuppertal. Wir platzierten eine 35 Nanometer dünne Schicht MeLPPP zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln, um eine optische Kavität zu bilden, in der Exzitonen-Polaritonen mit einem Laser erzeugt wurden. Ein Exziton-Polariton besteht aus der Überlagerung eines Exzitons (ein Elektron-Loch-Paar) und eines Photons. Deshalb fällt unser Gerät in die Kategorie der organischen Polariton-Transistoren.

Pavlos Lagoudakis, Skolkovo Institute of Science and Technology, University von Southampton

Unser Transistor ist nicht nur der erste seiner Art, der unter Umgebungsbedingungen arbeitet, sondern bietet auch eine beispiellose 6500-fache optische Signalverstärkung bei einer Bauelementlänge von nur wenigen Mikrometern. Das ist 330-mal höher als die von seinem anorganischen Gegenstück erreichte Verstärkung und ermöglicht die Kaskadierung, die eine notwendige Voraussetzung für die Verwendung des Transistors für Logikgatter ist. In Experimenten zeigte unser Gerät auch die höchste optische Nettoverstärkung, die jemals für einen optischen Transistor beobachtet wurde (~10 dB/Mikrometer).

Darüber hinaus verfügt unser Transistor über ein ultraschnelles Schalten im Sub-Pikosekundenbereich, wodurch er in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit von mehreren Terahertz mit einigen früheren rein optischen Geräten vergleichbar ist, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass unser Gerät für den Betrieb keine kryogene Kühlung benötigt.

Wichtig ist, dass unser organischer Polariton-Transistor eine weitere Einschränkung beseitigt, die in seinen anorganischen Gegenstücken vorhanden ist und für praktische Zwecke relevant ist. In anorganischen Polariton-Mikrokavitäten darf der Pumplaser, der zum Auslösen der Transistorantwort verwendet wird, nur unter bestimmten Winkeln auf das Gerät gerichtet werden. In unserem organischen Gerät gibt es keine speziellen Anforderungen an den Winkel des Pumplasers, was eine viel größere Flexibilität in der Geometrie der Einstellung bietet und ein Faser-Pigtailing des optischen Geräts oder die Erstellung integrierter planarer Schaltungen damit ermöglicht. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie wir dies erreicht haben.

Für die Experten:Wie wir es gemacht haben

  In unserem Material werden die Energiezustände von Exziton-Polaritonen durch mehrere sogenannte Polariton-Zweige vorgegeben, die durch starke Licht-Materie-Wechselwirkung der Hohlraumphotonen mit den Exzitonen entstehen. Unsere Strategie bestand darin, die bosonische Natur der Exzitonen-Polaritonen und das Auftreten starker Schwingungsanregungen in unserem organischen Halbleiter zu nutzen, um eine lawinenartige Relaxation der Exzitonen zum untersten Polaritonenzweig (Grundzustand) auszulösen. Wir gingen davon aus, dass dieser durch Vibrationen vermittelte Entspannungskanal stark genug ist, um die zahlreichen internen Umwandlungskanäle in unserem Material zu übertreffen. Und unsere Erwartungen wurden durch die Experimente gründlich bestätigt.

Wirklich riesige Verstärkung erreichen

In einem ersten Schritt haben wir mit einem Pumplaser eine große Population heißer Exzitonen erzeugt. Wir haben die Wellenlänge dieses Lasers abgestimmt, um Exzitonen mit einer Energie zu erzeugen, die genau ein vibronisches Energiequantum über dem unteren Polaritonenzweig in unserer Mikrokavität liegt. Der hier ausgenutzte vibronische Modus entspricht einem „Atemmodus“, bei dem ringförmige aromatische Einheiten innerhalb des Polymers schrumpfen und sich auf eine Weise ausdehnen, die einer atmenden Lunge ähnelt. Wie oben erwähnt, mussten wir uns nur um die Energie der Pumplaserphotonen kümmern, nicht aber um ihre Impulskomponente in der Ebene. Dies ist aufgrund der breiten Streuung der Impulsverteilung der stark lokalisierten Exzitonen in unserem Material möglich. Das bedeutet, dass die für anorganische Mikrokavitäten typischen strengen Anforderungen an die Phasenanpassung in unserem System irrelevant sind und es in fast jedem Winkel gepumpt werden kann.

Montierter runder Glaschip, der den optischen Mikroresonator für die organischer Polariton-Transistor.

Mit zunehmender Pumpanregungsdichte beobachteten wir einen Übergang vom linearen zum nichtlinearen Bereich, wobei die Schwellendichte bei etwa 82 μJ cm ⁻² . lag . Um die Schwelle zu senken und die Relaxation von Exzitonen in den Polariton-Grundzustand weiter zu beschleunigen, haben wir diesen Grundzustand mit einem Kontrollstrahl geimpft. Dieses Seeding erwies sich als sehr effektiv bei der Beschleunigung des Relaxationsprozesses, obwohl die Anregungsdichte des Kontrollstrahls konstant bei etwa 20 nJ cm ⁻² . gehalten wurde , mehr als drei Größenordnungen schwächer als die nicht resonante Pumpe. Durch das Impfen des Grundpolaritonzustands beobachteten wir eine fast zweimal niedrigere Schwelle für die Polaritonenkondensation, während die Exziton-zu-Polariton-Relaxationsrate bei derselben nichtresonanten optischen Anregungsdichte um den Faktor 50 erhöht wurde.

Ultraschnelles rein optisches Switching

Schaltzeiten im Sub-Pikosekundenbereich wurden dank der Kombination der ultraschnellen Exzitonen-Relaxationsdynamik, die organischen Halbleitern eigen ist, und der Sub-Pikosekunden-Resonatorlebensdauer unseres Bauelements erreicht. In unserem Setup bildete der Pumpstrahl den Adresszustand, der vom Steuerstrahl angesteuert wurde. Bei einer Schaltenergie des Kontrollstrahls von 1 pJ erreichten wir ein maximales Extinktionsverhältnis (bestimmt als Intensitätsverhältnis zwischen dem '1'- und dem '0'-Zustand) von 17 dB. Die Reaktionszeit für das Umschalten zwischen den beiden logischen Zuständen betrug ungefähr 500 Femtosekunden.

Schließlich demonstrierten wir das Potenzial organischer Polariton-Transistoren für die Kaskadierung durch die Implementierung einer zweistufigen kaskadierten Verstärkung. In unserem Schema wird die Kondensatemission (Adresse 1) der ersten Stufe auf den „Chip“ umgeleitet und durch eine zweite Pumpe weiter verstärkt. Darüber hinaus haben wir das Konzept der kaskadierten Verstärkung verwendet, um den ODER- und UND-Logik-Gatter-Betrieb zu demonstrieren, indem wir drei Polariton-Transistoren auf demselben „Chip“ unter Verwendung eines einzigen optischen Aufbaus mit Pump-Doppeltastkopf koppeln.

Anton Baranikov, Skolkovo Institute of Science and Technology und Anton Zasedatelev, Skolkovo Institute of Science and Technology, University of Southampton

Zusammenfassung

Unsere Experimente demonstrieren vibronvermittelte, dynamische Polaritonenkondensation in einer organischen Mikrokavität bei Umgebungsbedingungen, die eine rein optische Polaritonverstärkung, ein Schalten auf Sub-Pikosekunden-Zeitskalen sowie Kaskadierungsfähigkeit und ODER- und UND-Logikgatter-Operationen ermöglicht. Effiziente Kontrolle über den Adresszustand ermöglicht ein zuverlässiges Umschalten zwischen „niedrigen“ und „hohen“ Logikpegeln mit ultraschnellem Einschwingverhalten, während die riesige Nettoverstärkung der Struktur zu einer rekordverdächtigen optischen Verstärkung im Mikrometerbereich führt.

Die entwickelten Prinzipien der dynamischen Polaritonenkondensation in Kombination mit dem kürzlich beobachteten reibungsfreien Polaritonenfluss in organischen Mikrokavitäten [Lerario et al., Nat. Phys. 2017], ebnen den Weg für On-Chip-Schaltungen mit ultraschneller, rein optischer, logischer Bedienbarkeit. Wenn man außerdem starke Polariton-Polariton-Wechselwirkungen ausnutzen könnte, wo gerade Anfang dieses Jahres wichtige Fortschritte bei anorganischen Mikrokavitäten gezeigt wurden [Delteil et al., Nat. Matte. 2019 und Munoz-Matutano et al., Nat. Matte. 2019] könnten solche Transistoren mit nur wenigen Photonen arbeiten und dadurch die erforderliche Schaltenergie drastisch auf den Attojoule-Bereich senken.

Ein organischer Polariton-Transistor bei Raumtemperatur Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt &Pavlos G. Lagoudakis,  Nature Photonics, Band 13, Seiten 378–383 (2019)