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
A. A. High, E. E. Novitskaya, L. V. Butov, M. Hanson,
A. C. Gossard
Science Express, Published Online June 19, 2008
DOI: 10.1126/science.1157845
* Butov Group -- Optics of Semiconductor Nanostructures
http://physics.ucsd.edu/~lvbutov/research.html

光子甲蟲:大自然替未來光學電腦打造鑽石般晶體
電路有記憶 華裔學者40年前預測成真
液晶使光脈衝降至蝸牛速度
IBM 以水冷卻三維晶片
室溫下的兆赫(THz)雷射源
奈米碳管作為一單光子源
雷射與塑膠珠:在奈米尺度下駕馭光的力量
最佳化電腦速度的新技術

光學緩衝?從「光」到「聲音」的雙向資料傳輸
中科學家:可在嚴重瑕疵網路上進行量子通訊
奈米光子交換裝置:在晶片上路由光線
科學家示範以 3D 方式儲存資訊
「超稠密編碼」變得更密集
量子糾結 隨需即得
物理學家製造量子糾結「影像」
瑞士進行世上規模最大的量子 Bell 測試

沒有留言: