세계 최초의 초고속 전광 실온 트랜지스터

표지 네이처포토닉스 6월호. 이미지:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. 표지 디자인:Bethany Vukomanovic

현대의 디지털 컴퓨터는 다양한 방식으로 우리의 삶을 변화시켰지만 이를 기반으로 하는 기술은 여전히 ​​개선의 여지가 있습니다. 방대한 양의 데이터와 인공 지능과 같은 기술로 인해 컴퓨팅 워크로드가 계속 증가함에 따라 더욱 강력한 컴퓨팅 기술이 가장 중요해지고 있습니다.

현대 디지털 컴퓨터의 두 가지 주요 기둥은 전자 트랜지스터와 폰 노이만 컴퓨터 아키텍처입니다. 폰 노이만 아키텍처가 저장 및 처리와 같은 컴퓨팅 작업을 물리적으로 분리한 반면, 트랜지스터는 디지털 컴퓨터의 기본 빌딩 블록입니다. 더 작은 칩에 더 많은 트랜지스터를 집어넣음으로써 우리는 NASA에서 인류 최초의 달 착륙에 사용한 대형 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 컴퓨팅 성능을 갖춘 스마트폰과 같은 장치를 만들 수 있게 되었습니다.

그러나 이러한 발명품 중 어느 것도 영원히 우리와 함께 할 수 없습니다. 사실, 최근 몇 년 동안 우리는 근본적으로 다른 구성 요소와 아키텍처에 대한 관심의 르네상스를 목격했습니다. 컴퓨팅의 미래는 AI 맞춤형 하드웨어, 인메모리, 아날로그 및 양자 컴퓨팅을 포함할 수 있습니다. IBM의 연구원들은 수년 동안 이러한 종류의 새로운 기술을 탐구해 왔으며 미래의 정보 처리 인프라를 강화하기 위해 어떤 물리적 개념을 활용할 수 있는지 광범위하게 조사하고 있습니다.

IBM 연구 – 취리히 팀:(왼쪽에서 오른쪽으로 ) 파비오 스카피리무토, 틸로 스토펠레, 다리우스 우르보나스, 라이너 마흐트

이제 취리히에 있는 IBM 연구소 팀은 Skolkovo Institute of Science and Technology 및 Southampton의 Pavlos Lagoudakis 연구소 파트너와 함께(유럽 Horizon-2020 교육 네트워크 SYNCHRONICS의 프레임워크 내에서 설립된 협업) , 상온에서 작동할 수 있는 캐스케이드 가능한 전광 트랜지스터를 최초로 구축하는 데 성공했습니다. 연구팀은 유기 반도체 고분자의 물질적 특성을 이용하여 이를 달성했다. 이 재료를 기반으로 들어오는 광학 신호(레이저 빔)를 켜고 끄거나 다른 레이저 빔으로 증폭할 수 있는 미세 공간이 설계되었습니다.

이 작업은 동료 심사를 거친 저널인 Nature Photonics의 최신판 표지에 실렸습니다.

중요한 이유

빛만으로 정보를 조작하는 모든 광학 구성 요소는 훨씬 빠른 스위칭 및 논리적 작업을 가능하게 할 뿐만 아니라 양자 마이크로파 광 변환 또는 블라인드 양자 컴퓨팅에서 "플라잉 큐비트" 라우팅과 같은 새로운 애플리케이션을 위한 빌딩 블록을 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 모든 광학 부품은 구축하기가 매우 어렵습니다. 그리고 사실, 모든 광학 컴퓨터를 만들기 위한 노력은 약 50년 동안 있었습니다.

광 신호를 다른 광 신호로 전환하거나 증폭하기 위해서는 상호 작용을 매개하는 물질이 필요합니다. 진공 상태에서 서로 상호 작용하지 않는 것은 광선의 양자 특성에 있습니다. 우리 트랜지스터에서 매개 부분은 여기자 극성으로 알려진 준 입자에 의해 수행됩니다. 그들은 오랜 파트너인 Wuppertal University의 Ullrich Scherf 교수가 제공한 유기 반도체(메틸 치환 사다리형 폴리[파라페닐렌] 또는 MeLPPP)에서 발생합니다. 우리는 레이저를 사용하여 여기자-편광자가 생성되는 광학 공동을 형성하기 위해 두 개의 고반사 거울 사이에 MeLPPP의 35나노미터 두께 층을 배치했습니다. 엑시톤-폴라리톤은 엑시톤(전자-정공 쌍)과 광자의 중첩으로 구성됩니다. 이것이 우리 장치가 유기 폴라리톤 트랜지스터 범주에 속하는 이유입니다.

Pavlos Lagoudakis, Skolkovo Institute of Science and Technology, University 사우샘프턴

당사의 트랜지스터는 주변 조건에서 작동하는 최초의 제품일 뿐만 아니라 불과 몇 마이크로미터의 장치 길이로 전례 없는 6500배 광 신호 증폭을 제공합니다. 이는 무기물에 비해 증폭률이 330배나 높으며, 트랜지스터를 로직 게이트로 사용하기 위한 필수 조건인 캐스케이드(cascadability)를 가능하게 한다. 실험에서 우리 장치는 또한 광 트랜지스터(~10dB/마이크로미터)에서 관찰된 것 중 가장 높은 순 광 이득을 나타냈습니다.

또한 당사의 트랜지스터는 피코초 미만 범위의 초고속 스위칭 기능을 갖추고 있어 멀티 테라헤르츠 스위칭 속도 측면에서 이전의 일부 전광학 장치와 비교할 수 있으며 장치가 작동하기 위해 극저온 냉각이 필요하지 않다는 추가 이점이 있습니다.

중요하게도, 우리의 유기 폴라리톤 트랜지스터는 실용적인 목적과 관련된 무기 대응물에 존재하는 또 다른 제한을 제거합니다. 무기 극성 미세공동에서 트랜지스터 응답을 트리거하는 데 사용되는 펌프 레이저는 특정 각도에서만 장치를 향해야 합니다. 우리의 유기 장치에는 설정 기하학에 훨씬 더 큰 유연성을 제공하고 광학 장치의 파이버 피그테일링 또는 집적 평면 회로 생성을 허용하는 펌프 레이저 각도에 대한 특정 요구 사항이 없습니다. 우리가 어떻게 이를 달성했는지 계속 읽어보세요.

전문가용:수행 방법

우리 재료에서 여기자-폴라리톤의 에너지 상태는 캐비티 광자와 여기자의 강한 광물질 상호작용에서 발생하는 소위 폴라리톤 가지에 의해 제공됩니다. 우리의 전략은 엑시톤-폴라리톤의 bosonic 특성과 유기 반도체에서 강한 진동 여기의 발생을 사용하여 엑시톤을 가장 낮은 폴라리톤 분기(바닥 상태)로의 눈사태와 같은 이완을 유발하는 것으로 구성되었습니다. 우리는 이 진동 매개 이완 채널이 우리 재료의 여러 내부 전환 채널을 능가할 만큼 충분히 강할 것으로 예상했습니다. 그리고 우리의 기대는 실험을 통해 철저히 확인되었습니다.

진정으로 거대한 증폭 달성

첫 번째 단계에서 우리는 펌프 레이저를 사용하여 많은 수의 뜨거운 여기자를 생성했습니다. 우리는 이 레이저의 파장을 조정하여 우리 미세공동의 아래쪽 폴라리톤 가지보다 정확히 하나의 진동 에너지 양자 에너지를 가진 여기자를 생성했습니다. 여기서 우리가 사용한 진동 모드는 중합체 내의 고리 모양의 방향족 단위가 호흡하는 폐와 유사한 방식으로 수축 및 팽창하는 "호흡 모드"에 해당합니다. 위에서 언급했듯이 우리는 펌프 레이저 광자의 에너지에만 신경을 썼지만 면내 운동량 구성 요소는 신경 쓰지 않았습니다. 이것은 우리 재료에서 강하게 국부화된 여기자의 운동량 분포가 광범위하게 퍼져 있기 때문에 가능합니다. 즉, 무기 미세 공간의 일반적인 엄격한 위상 일치 요구 사항은 우리 시스템과 관련이 없으며 거의 ​​모든 각도에서 펌핑될 수 있습니다.

장착된 원형 유리 칩 유기 극성 트랜지스터.

펌프 여기 밀도가 증가함에 따라 임계 밀도가 대략 82μJ cm ⁻² 인 선형 영역에서 비선형 영역으로의 전환이 관찰되었습니다. . 임계값을 낮추고 엑시톤의 폴라리톤 바닥 상태로의 이완을 더욱 가속화하기 위해 우리는 이 바닥 상태에 제어 빔을 뿌렸습니다. 제어 빔의 여기 밀도가 약 20nJ cm ⁻² 에서 일정하게 유지되었음에도 불구하고 이 씨뿌리기는 이완 과정의 속도를 높이는 데 매우 효과적임이 입증되었습니다. , 비공진 펌프보다 3배 이상 약합니다. 접지 폴라리톤 상태를 시딩하여 폴라리톤 응축에 대한 임계값이 거의 두 배 더 낮은 것을 관찰했으며, 동일한 비공진 광 여기 밀도에서 여기자에서 폴라리톤으로의 이완 속도가 50배 증가했습니다.

초고속 전광 스위칭

서브 피코초 스위칭 시간은 유기 반도체 고유의 초고속 여기자 이완 역학과 장치의 서브 피코초 공동 수명의 조합 덕분에 달성되었습니다. 우리의 설정에서 펌프 빔은 제어 빔에 의해 게이트된 주소 상태를 형성했습니다. 제어 빔의 스위칭 에너지를 1pJ로 유지하면서 17dB의 최대 소광비('1'과 '0' 상태 사이의 강도 비율로 결정)를 달성했습니다. 두 논리적 상태 사이를 전환하는 응답 시간은 약 500펨토초였습니다.

마지막으로, 우리는 2단계 계단식 증폭을 구현하여 유기 폴라리톤 트랜지스터의 계단식 가능성을 시연했습니다. 우리의 계획에서 첫 번째 단계의 응축수 방출(주소 1)은 "칩"으로 리디렉션되고 두 번째 펌프에 의해 추가로 증폭됩니다. 또한 단일 펌프-더블 프로브 광학 설정을 사용하여 동일한 "칩"에 3개의 폴라리톤 트랜지스터를 결합하여 OR 및 AND 논리 게이트 작동을 시연하기 위해 계단식 증폭 개념을 사용했습니다.

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

요약

우리의 실험은 주변 조건에서 유기 마이크로캐비티에서 진동 매개된 동적 폴라리톤 응축을 보여주며, 전체 광학 폴라리톤 증폭, 서브피코초 시간 스케일에서의 스위칭, 캐스케이드 가능성 및 OR 및 AND 논리 게이트 작동을 가능하게 합니다. 주소 상태에 대한 효율적인 제어는 초고속 과도 응답으로 '낮음'과 '높음' 논리 레벨 간의 안정적인 전환을 허용하는 반면 구조의 거대한 순 이득은 마이크로미터 규모에서 기록적인 광 증폭을 발생시킵니다.

유기 미세공동에서 최근에 관찰된 마찰 없는 폴라리톤 흐름과 함께 동적 폴라리톤 응축의 개발된 원리[Lerario et al., Nat. 물리. 2017], 초고속, 전광학, 논리 운용성을 갖춘 온칩 회로를 위한 길을 열었습니다. 강력한 폴라리톤-폴라리톤 상호작용을 더 활용할 수 있다면 올해 초에 무기 미세공동으로 중요한 진전이 나타났습니다[Delteil et al., Nat. 매트. 2019 및 Munoz-Matutano et al., Nat. 매트. 2019], 이러한 트랜지스터는 몇 개의 광자로만 작동할 수 있으므로 필요한 스위칭 에너지를 아토줄 영역으로 대폭 낮출 수 있습니다.

상온 유기 폴라리톤 트랜지스터, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt &Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, 13권, 378–383페이지(2019)