De ontdekking van bistabiele nanokristallen belooft snellere, energiezuinigere optische computers

Wetenschappers, waaronder een chemieonderzoeker van de Oregon State University, hebben een belangrijke stap gezet in de richting van snellere, energiezuinigere kunstmatige intelligentie en gegevensverwerking in het algemeen, met de ontdekking van lichtgevende nanokristallen die snel van licht naar donker en weer terug kunnen worden geschakeld.

“De buitengewone schakel- en geheugenmogelijkheden van deze nanokristallen kunnen op een dag een integraal onderdeel worden van optisch computergebruik – een manier om snel informatie te verwerken en op te slaan met behulp van lichtdeeltjes, die sneller reizen dan wat dan ook in het universum”, zegt Artiom Skripka, assistent-professor bij de OSU. College van Wetenschap.

Gepubliceerd in Natuur Fotonica, de studie door Skripka en medewerkers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Columbia University en de Autonome Universiteit van Madrid betreft een soort materiaal dat bekend staat als lawine-nanodeeltjes.

Nanomaterialen zijn kleine stukjes materie die tussen een miljardste en honderd miljardste van een meter groot zijn, en lawine-nanodeeltjes vertonen extreme niet-lineariteit in hun lichtemissie-eigenschappen: ze zenden licht uit waarvan de intensiteit enorm kan toenemen met een kleine toename van de lichtsterkte. intensiteit van de laser die hen opwindt.

De onderzoekers bestudeerden nanokristallen bestaande uit kalium, chloor en lood en gedoteerd met neodymium. Op zichzelf heeft de KPb₂Kl₅ nanokristallen hebben geen interactie met licht; Als gastheren zorgen ze er echter voor dat hun neodymiumgastionen lichtsignalen efficiënter kunnen verwerken, waardoor ze nuttig worden voor opto-elektronica, lasertechnologie en andere optische toepassingen.

“Normaal gesproken geven luminescerende materialen licht af als ze worden opgewonden door een laser en blijven ze donker als dat niet het geval is”, zegt Skripka. “Daarentegen waren we verrast toen we ontdekten dat onze nanokristallen een parallel leven leiden. Onder bepaalde omstandigheden vertonen ze een eigenaardig gedrag: ze kunnen helder of donker zijn onder exact dezelfde laserexcitatiegolflengte en -kracht.”

Dat gedrag wordt intrinsieke optische bistabiliteit genoemd. De intrinsieke optische bistabiliteit van de nanokristallen is een vooruitgang in de richting van fotonische geïntegreerde schakelingen die mogelijk beter kunnen presteren dan de huidige elektronische en opto-elektronische systemen, en met grotere efficiëntie.

“Als de kristallen in het begin donker zijn, hebben we een hoger laservermogen nodig om ze in te schakelen en de emissie waar te nemen, maar zodra ze uitzenden, kunnen we hun emissie waarnemen met lagere laservermogens dan we nodig hadden om ze aanvankelijk in te schakelen”, zei Skripka. . “Het is net als fietsen: om hem op gang te krijgen, moet je hard op de pedalen trappen, maar als hij eenmaal in beweging is, heb je minder moeite nodig om hem aan de gang te houden. Hun luminescentie kan heel abrupt worden in- en uitgeschakeld, alsof op een knop drukken.”

De schakelmogelijkheden van de nanokristallen met laag vermogen sluiten aan bij de wereldwijde inspanningen om de hoeveelheid energie die wordt verbruikt door de groeiende aanwezigheid van kunstmatige intelligentie, datacentra en elektronische apparaten te verminderen, voegde hij eraan toe. AI-toepassingen vereisen niet alleen aanzienlijke rekenkracht, ze worden ook vaak beperkt door beperkingen die verband houden met bestaande hardware, een situatie die dit nieuwe onderzoek ook zou kunnen aanpakken.

“Het integreren van fotonische materialen met intrinsieke optische bistabiliteit zou snellere en efficiëntere dataprocessors kunnen betekenen, waardoor machine learning-algoritmen en data-analyse zouden worden verbeterd”, aldus Skripka. “Het zou ook efficiëntere, op licht gebaseerde apparaten kunnen betekenen, van het type dat wordt gebruikt op gebieden als telecommunicatie, medische beeldvorming en omgevingsdetectie.”

Bovendien, zei hij, vormt de studie een aanvulling op de bestaande inspanningen om krachtige optische computers voor algemene doeleinden te ontwikkelen, die gebaseerd zijn op het gedrag van licht en materie op nanoschaal, en onderstreept het het belang van fundamenteel onderzoek bij het stimuleren van innovatie en economische groei.

“Onze bevindingen zijn een opwindende ontwikkeling, maar er is meer onderzoek nodig om uitdagingen zoals schaalbaarheid en integratie met bestaande technologieën aan te pakken voordat onze ontdekking een thuis vindt in praktische toepassingen”, aldus Skripka.