El primer transistor de temperatura ambiente ultrarrápido totalmente óptico del mundo

Portada de la edición de junio de Nature Photonics. Imagen:Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Diseño de portada:Bethany Vukomanovic

Las computadoras digitales modernas han cambiado nuestras vidas de diversas maneras, pero la tecnología en la que se construyen todavía tiene margen de mejora. A medida que las cargas de trabajo computacionales continúan creciendo debido a cantidades masivas de datos y técnicas como la inteligencia artificial, las tecnologías de computación más poderosas se vuelven de suma importancia.

Dos de los pilares principales de nuestras computadoras digitales modernas son el transistor electrónico y la arquitectura de la computadora von-Neumann. Si bien la arquitectura de von-Neumann estableció la separación física de las tareas informáticas como el almacenamiento y el procesamiento, los transistores son los bloques de construcción fundamentales en nuestras computadoras digitales. Al colocar cada vez más transistores en chips cada vez más pequeños, hemos llegado a construir dispositivos como nuestros teléfonos inteligentes con órdenes de magnitud más de potencia informática que las grandes computadoras utilizadas por la NASA para llevar a los primeros hombres a la luna.

Pero ninguno de estos inventos está garantizado para quedarse con nosotros para siempre. De hecho, en los últimos años hemos sido testigos de un renacimiento del interés por componentes y arquitecturas radicalmente diferentes. El futuro de la informática puede incluir hardware adaptado a la IA, computación en memoria, analógica y cuántica. En IBM, los investigadores han estado explorando ese tipo de tecnologías novedosas durante muchos años y están investigando ampliamente qué conceptos físicos podrían aprovecharse para impulsar nuestra futura infraestructura de procesamiento de información.

Equipo de IBM Research - Zurich:(de izquierda a derecha ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Ahora, nuestro equipo en el IBM Research Lab en Zúrich junto con nuestros socios del laboratorio de investigación del profesor Pavlos Lagoudakis en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo y Southampton (una colaboración establecida en el marco de la red de formación europea Horizon-2020 SYNCHRONICS) , ha logrado construir el primer transistor totalmente óptico en cascada capaz de funcionar a temperatura ambiente. El equipo logró esto aprovechando las propiedades del material de un polímero semiconductor orgánico. Con base en este material, se diseñó una microcavidad en la que una señal óptica entrante (un rayo láser) se puede encender y apagar o amplificar con otro rayo láser.

El trabajo aparece en la portada de la última edición de la revista revisada por pares Nature Photonics.

Por qué es importante

Los componentes totalmente ópticos que manipulan la información solo con luz podrían permitir operaciones lógicas y de conmutación mucho más rápidas, así como proporcionar bloques de construcción para nuevas aplicaciones como el enrutamiento de "qubits voladores" de la transducción óptica de microondas cuántica o la computación cuántica ciega. Pero estos componentes totalmente ópticos son muy difíciles de construir. Y, de hecho, los esfuerzos para fabricar computadoras totalmente ópticas han existido durante unos 50 años.

Para cambiar o amplificar una señal óptica con otra señal óptica, se necesita un material que medie la interacción. Es solo en la naturaleza cuántica de los rayos de luz que no interactúan entre sí en el vacío. En nuestro transistor, la parte mediadora la realizan cuasi-partículas conocidas como excitones-polaritones. Surgen en un semiconductor orgánico (poli [parafenileno] de tipo escalera sustituido con metilo o MeLPPP) proporcionado por nuestro socio de mucho tiempo, el Prof. Ullrich Scherf de la Universidad de Wuppertal. Colocamos una capa fina de 35 nanómetros de MeLPPP entre dos espejos altamente reflectantes para formar una cavidad óptica en la que se produjeron excitones-polaritones utilizando un láser. Un excitón-polaritón consiste en la superposición de un excitón (un par electrón-hueco) y un fotón. Es por eso que nuestro dispositivo cae en la categoría de transistores orgánicos de polaritón.

Pavlos Lagoudakis, Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo, Universidad de Southampton

Nuestro transistor no solo es el primero de su tipo que funciona en condiciones ambientales, sino que también proporciona una amplificación de señal óptica sin precedentes de 6500 veces con una longitud de dispositivo de solo unos pocos micrómetros. Eso es 330 veces mayor que la amplificación lograda por su contraparte inorgánica y permite la capacidad de cascada, que es una condición necesaria para usar el transistor para puertas lógicas. En experimentos, nuestro dispositivo también exhibió la ganancia óptica neta más alta jamás observada para un transistor óptico (~ 10 dB / micrómetro) .

Además, nuestro transistor presenta una conmutación ultrarrápida en el rango de subpicosegundos, lo que lo hace comparable en términos de velocidad de conmutación de varios terahercios a algunos dispositivos totalmente ópticos anteriores con la ventaja adicional de que nuestro dispositivo no requiere enfriamiento criogénico para funcionar.

Es importante destacar que nuestro transistor de polaritón orgánico elimina otra limitación presente en sus contrapartes inorgánicas que es relevante para fines prácticos. En microcavidades de polaritón inorgánico, el láser de bombeo utilizado para activar la respuesta del transistor debe dirigirse al dispositivo solo bajo ciertos ángulos. En nuestro dispositivo orgánico, no existe un requisito específico sobre el ángulo del láser de bombeo, lo que brinda una flexibilidad mucho mayor en la geometría del entorno y permite unir la fibra del dispositivo óptico o crear circuitos planos integrados con él. Siga leyendo para saber cómo lo logramos.

Para los expertos:cómo lo hicimos

En nuestro material, los estados de energía de los excitones-polaritones vienen dados por varias de las denominadas ramas de polaritones, que surgen de una fuerte interacción luz-materia de los fotones de la cavidad con los excitones. Nuestra estrategia consistió en utilizar la naturaleza bosónica de los excitones-polaritones y la aparición de fuertes excitaciones vibratorias en nuestro semiconductor orgánico para desencadenar una relajación similar a una avalancha de los excitones hacia la rama más baja del polaritón (estado fundamental). Anticipamos que este canal de relajación mediado por vibrones sería lo suficientemente fuerte como para superar a los múltiples canales de conversión internos en nuestro material. Y nuestras expectativas fueron completamente confirmadas por los experimentos.

Lograr una amplificación verdaderamente gigante

En un primer paso, usamos un láser de bomba para producir una gran población de excitones calientes. Ajustamos la longitud de onda de este láser para producir excitones con una energía exactamente un cuanto de energía vibrónica por encima de la rama inferior del polaritón en nuestra microcavidad. El modo vibrónico que explotamos aquí corresponde a un "modo de respiración" en el que las unidades aromáticas en forma de anillo dentro del polímero se contraen y expanden de una manera que se asemeja a un pulmón que respira. Como se indicó anteriormente, solo teníamos que preocuparnos por la energía de los fotones del láser de bombeo, pero no por su componente de momento en el plano. Esto es posible debido a la amplia difusión en la distribución de la cantidad de movimiento de los excitones fuertemente localizados en nuestro material. Eso significa que el estricto requisito de coincidencia de fases típico de las microcavidades inorgánicas es irrelevante en nuestro sistema y se puede bombear en casi cualquier ángulo.

Chip de vidrio circular montado que contiene el microrresonador óptico para el transistor de polariton orgánico.

Con el aumento de la densidad de excitación de la bomba, observamos una transición del régimen lineal al no lineal, con una densidad de umbral de aproximadamente 82 μJ cm ⁻² . Para reducir el umbral y acelerar aún más la relajación de los excitones al estado fundamental de polaritón, sembramos este estado fundamental con un rayo de control. Esta siembra demostró ser muy eficaz para acelerar el proceso de relajación, a pesar de que la densidad de excitación del haz de control se mantuvo constante en aproximadamente 20 nJ cm ⁻² , más de tres órdenes de magnitud más débil que la bomba no resonante. Al sembrar el estado de polaritón del suelo, observamos casi dos veces el umbral más bajo para la condensación de polaritón, mientras que la tasa de relajación de excitón a polaritón se incrementó en un factor de 50 bajo la misma densidad de excitación óptica no resonante.

Conmutación totalmente óptica ultrarrápida

Los tiempos de conmutación de subpicosegundos se lograron gracias a la combinación de dinámica de relajación de excitones ultrarrápida, inherente a los semiconductores orgánicos, y la vida útil de la cavidad de subpicosegundos de nuestro dispositivo. En nuestra configuración, el rayo de la bomba formó el estado de dirección que fue controlado por el rayo de control. Manteniendo la energía de conmutación del haz de control en 1 pJ, logramos una relación de extinción máxima (determinada como la relación de intensidad entre el estado "1" y "0") de 17 dB. El tiempo de respuesta para cambiar entre los dos estados lógicos fue de aproximadamente 500 femtosegundos.

Finalmente, demostramos el potencial de los transistores de polaritón orgánico para la capacidad de cascada mediante la implementación de amplificación en cascada de dos etapas. En nuestro esquema, la emisión de condensado (Dirección 1) de la primera etapa se redirige al "chip" y se amplifica aún más mediante una segunda bomba. Además, empleamos el concepto de amplificación en cascada para demostrar el funcionamiento de la compuerta lógica OR y AND mediante el acoplamiento de tres transistores de polaritón en el mismo "chip" utilizando una configuración óptica de una sola bomba y una sonda doble.

Anton Baranikov, Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo y Anton Zasedatelev, Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo, Universidad de Southampton

Resumen

Nuestros experimentos demuestran la condensación de polaritones dinámica mediada por vibrones en una microcavidad orgánica en condiciones ambientales, lo que permite la amplificación de polaritones totalmente óptica, la conmutación en escalas de tiempo de subpicosegundos, así como la capacidad de cascada y la operación de compuerta lógica OR y AND. El control eficiente sobre el estado de la dirección permite un cambio confiable entre niveles lógicos "bajos" y "altos" con una respuesta transitoria ultrarrápida, mientras que la ganancia neta gigante de la estructura da lugar a una amplificación óptica récord en la escala micrométrica.

Los principios desarrollados de la condensación dinámica de polaritones en combinación con el flujo de polaritones sin fricción observado recientemente en microcavidades orgánicas [Lerario et al., Nat. Phys. 2017], allanan el camino para los circuitos en chip con operabilidad lógica ultrarrápida y totalmente óptica. Si además se pudieran aprovechar las fuertes interacciones polariton-polariton, donde se acaba de demostrar un progreso importante a principios de este año con las microcavidades inorgánicas [Delteil et al., Nat. Estera. 2019 y Munoz-Matutano et al., Nat. Estera. 2019], tales transistores podrían operar con solo unos pocos fotones y, por lo tanto, reducirían drásticamente la energía de conmutación requerida al régimen de attojulios.