Only Perception: 「激子電路」消除運算與通訊間的速度困境

2008-06-22

「激子電路」消除運算與通訊間的速度困境

Exciton-based circuits eliminate a 'speed trap' between computing and communication signals
http://www.physorg.com/news133108263.html

June 19, 2008

UC San Diego 的物理學家證明，一種稱為激子（excitons，激發子，能在它們衰變時發出一道閃光）的粒子，有可能為一種更適於快速通訊的新形態運算所用。

積體電路，由電晶體所組成，是所有電子裝置的基石，目前使用電子傳遞計算所需的訊號。但幾乎所有的通訊裝置使用光，或光子，來傳送訊號。需要將訊號語言從電子轉換到光子限制了電子裝置的速度。

Leonid Butov，UCSD 物理教授，及其 UCSD 與 UC Santa Barbara 的同事，打造出數個基於激子的電晶體，那能成為新型電腦的基石，他們在本週的 Science 線上版報告這項成果。他們所組成的電路是第一個使用激子的運算裝置。

"我們的電晶體使用激子來處理訊號，那如同電子一樣可由電壓來控制，不過並不像電子會在電路的輸出端轉換成光子，" Butov 說。"這種激子到光子的直接耦合，橋接了運算與通訊之間的缺口。"

激子是由光在砷化鎵之類的半導體中所創造，那將帶負電的電子從一個帶正電的「（電）洞」分離。如果這一對仍有連接，它就會形成激子。當電子與電洞結合後，激子就會衰變，並將其能量以一道閃光釋出。

Butov 等人利用一種激子的特別類型，在此電子與其電洞被限制在不同的「量子井（quantum wells）」中，相聚數奈米。這樣的設置創造出一種機會，利用電極提供電壓來控制激子的流動。

這些電壓閘創造出一種能量突起（energy bump），能夠暫停激子的移動或允許它們流動。一旦那個能量障壁被移除，激子就能夠行進到電晶體的輸出端，並轉換成光，那能夠直接餵入一個通訊迴路，排除了轉換訊號的需要。"激子與光子直接耦合，那允許我們連接運算與通訊，" Butov 說。

其他涉及這項發現的人包括 UCSD 的 Alex High 與 Ekaterina Novitskaya，UCSB 的 icah Hanson 與 Arthur Gossard。

科學家們透過將激子電晶體結合以形成數種類型的開關，從而創造出一種簡單的積體電路，那精確地指揮訊號沿著一個或數個路徑前進。因為激子很快，故這些開關能迅速翻轉。在 200 皮秒（兆分之一秒）等級的切換時間到目前為止已獲證明。雖然激子運算本身也許沒有比電子電路來得快，不過當訊號送往另一個機器、或是在一個以光學連接不同部位的晶片間傳遞時，速度將會出現。

Butov 等人所創造的電路證明，激子能用來進行運算，但實際應用將需要使用不同的材料。砷化鎵激子電路只能在寒冷的溫度下運作 -- 低於 40 K，一種因激子結合能（binding energy）而產生的限制。（溫度高於此，電子將不會與它們的電洞結合，而在結構中形成激子）運作溫度能透過選擇不同半導體材質而增加，科學家們表示。

※ 相關報導：

＊ Control of Exciton Fluxes in an Excitonic Integrated Circuit
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1157845