최초 초고속 상온 전광 트랜지스터, 새 벤치마크 수립

현대 디지털 컴퓨터가 사회를 재편했지만, 이를 구동하는 핵심 기술들은 여전히 진화할 여지가 큽니다. 데이터 양이 늘고 인공지능 워크로드가 증가함에 따라 더 강력하고 효율적인 컴퓨팅 플랫폼에 대한 수요가 강화되고 있습니다.

전자 트랜지스터와 폰 노이만 아키텍처는 오늘날 실리콘 기반 시스템의 쌍두마차입니다. 더 작은 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적함으로써 우리는 초기 달 착륙 컴퓨터보다 수십 배 더 많은 연산 능력을 제공하는 스마트폰, 노트북, 서버를 구축했습니다. 여전히 이 기술들이 컴퓨팅 이야기의 마지막 장은 아닙니다.

최근 몇 년간 근본적으로 다른 구성요소와 아키텍처에 대한 관심의 르네상스가 등장했습니다. AI 최적화 하드웨어, 인메모리 및 아날로그 컴퓨팅, 양자 프로세서가 포함됩니다. IBM 리서치는 이러한 돌파구 개념 탐구 선두에 서서 내일의 정보 처리 인프라를 형성할 물리적 한계를 탐구해왔습니다.

이제 IBM 취리히 리서치 팀이 스콜코보 과학기술연구소(SIST), 사우샘프턴 대학 연구자들과 협력해 주변 온도에서 동작하는 최초 캐스캐이더블 전광 트랜지스터를 발표했습니다. 이 이정표는 유기 반도체 폴리머인 메틸 치환 래더-타입 폴리-[파라페닐렌](MeLPPP)의 독특한 특성을 활용해 한 레이저 빔이 다른 레이저 빔을 스위칭, 증폭, 억제할 수 있는 마이크로캐비티를 생성함으로써 달성되었습니다.

이 돌파구는 동료 검토 저널 Nature Photonics 최신호 표지를 장식했습니다.

중요한 이유

정보를 오직 빛으로만 처리하는 전광 구성요소들은 극적으로 빠른 스위칭, 낮은 전력 소비, '비행 큐비트' 라우팅으로 양자 통신이나 블라인드 양자 컴퓨팅 가능 등 새로운 기능들을 약속합니다. 그러나 그런 장치 구축은 악명 높게 어려웠고, 전광 컴퓨터 탐구는 약 50년간 지속되었습니다.

다른 광 신호로 광 신호를 스위칭하거나 증폭하려면 매개 물질이 필요합니다. 진공에서 광자들은 상호작용하지 않기 때문입니다. 이 트랜지스터에서 상호작용은 유기 반도체에서 발생하는 준입자인 엑시톤-폴라리톤이 매개합니다. 35나노미터 MeLPPP 층이 두 고반사율 거울 사이에 샌드위치되어 광학 캐비티를 형성하고, 레이저로 엑시톤-폴라리톤을 생성합니다. 엑시톤-폴라리톤은 전자-정공 쌍(엑시톤)과 광자의 하이브리드로, 이 장치를 신흥 유기 폴라리톤 트랜지스터 분야에 확고히 위치시킵니다.

이 트랜지스터는 상온에서 동작하는 최초이자, 불과 몇 마이크로미터 길이 장치에서 전례 없는 6,500배 광 신호 증폭을 제공합니다. 이 증폭은 무기 대응물 대비 330배 더 커 로직 연산에 필요한 캐스캐이더빌러티를 가능하게 합니다. 실험은 또한 광 트랜지스터 역대 최고 순 광 이득(약 10dB/µm)을 기록했습니다.

더욱이 장치는 서브피코초 영역에서 스위칭해 극저온 냉각 없이 멀티테라헤르츠 범위 속도를 달성합니다. 이는 이전 전광 시스템 대비 주요 이점입니다.

중요하게도 유기 폴라리톤 트랜지스터는 무기 설계들을 괴롭히는 실용적 한계를 제거합니다: 무기 마이크로캐비티에서 펌프 레이저는 트랜지스터를 트리거하기 위해 정밀한 각도로 입사해야 합니다. 유기 장치에서는 펌프 레이저가 사실상 어떤 각도에서든 향할 수 있어 파이버 피그테일 시스템이나 평면 온칩 회로 통합에 전례 없는 유연성을 제공합니다.

우리가 어떻게 했나

엑시톤-폴라리톤 상태 에너지 지형은 캐비티 광자와 엑시톤 간 강한 빛-물질 결합에서 발생하는 여러 폴라리톤 분기들에 의해 정의됩니다. 우리 전략은 엑시톤-폴라리톤의 보손적 성격과 유기 반도체 내 현저한 진동 모드들을 활용해 뜨거운 엑시톤들이 최저 폴라리톤 분기(기저 상태)로 눈사태 같은 완화를 유도했습니다. 이 바이브론-매개 완화 경로가 경쟁적인 내부 변환 채널들을 지배하도록 설계되었고, 실험이 그 효과를 확인했습니다.

진정한 거대 증폭 달성

첫 단계에서 비공진 펌프 레이저로 고밀도 뜨거운 엑시톤 생성. 펌프 파장은 엑시톤 에너지가 하위 폴라리톤 분기 정확히 한 바이브론 양자 위에 위치하도록 조정. 선택된 바이브론 모드는 폴리머 내 방향족 고리 '호흡' 운동에 대응. 강하게 국소화된 엑시톤들이 넓은 운동량 분포를 보이므로 펌프 면내 운동량 성분은 크게 무관합니다. 따라서 펌프는 사실상 어떤 각도에서든 적용 가능해 무기 마이크로캐비티의 엄격한 위상 매칭 제약을 회피합니다.

펌프 여기 밀도 증가에 따라 선형에서 비선형 영역으로 명확한 전이 관찰, 임계값 약 82µJ/cm². 약한 제어 빔(≈20nJ/cm², 비공진 펌프보다 3주문 이상 약함)으로 기저 폴라리톤 상태 시딩해 응축 임계값 거의 2배 낮추고, 동일 펌프 조건에서 엑시톤-폴라리톤 완화율 50배 증가.

초고속 전광 스위칭

서브피코초 스위칭 시간은 유기 반도체 고유 초고속 엑시톤 완화와 서브피코초 캐비티 수명 조합에서 기인합니다. 우리 설정에서 펌프 빔이 어드레스 상태 설정, 제어 빔이 게이팅. 제어 에너지 단 1pJ로 최대 소멸비 17dB('1' 대 '0' 강도 비율)와 약 500fs 스위칭 응답 시간 달성.

마침내 2단계 증폭 방식으로 트랜지스터 캐스캐이더빌러티 입증. 1단계 응축체 방출이 칩으로 재지향되어 2단계 펌프로 추가 증폭. 캐스케이드 증폭으로 단일 펌프-더블-프로브 구성에서 같은 칩 위 3개 폴라리톤 트랜지스터 결합해 OR 및 AND 로직 게이트 구현.

요약

이 실험들은 상온 유기 마이크로캐비티에서 바이브론-매개 동적 폴라리톤 응축을 보여주며, 전광 증폭, 서브피코초 스위칭, 캐스캐이더블 로직 연산을 가능하게 합니다. 신뢰할 수 있는 초고속 스위칭과 기록적 광 이득 조합이 테라헤르츠급 로직 연산 가능한 온칩 전광 회로 길을 닦습니다. 최근 무기 마이크로캐비티에서 관측된 강한 폴라리톤-폴라리톤 상호작용 진전과 결합 시, 그런 트랜지스터들은 결국 몇 광자만으로 동작해 스위칭 에너지를 아토줄 영역으로 밀어낼 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, volume 13, pages 378–383 (2019)