Zwitsers ontwikkelen optische schakeling op basis van zilveratoom

Zwitserse wetenschappers hebben een digitale schakeling op atoomniveau gemaakt. Het gaat om een optische modulator die op basis van een enkel zilveratoom kan functioneren. De switch werkt nog niet snel en is lastig te maken, maar dat willen de wetenschappers verbeteren.

Het onderzoeksteam van de Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich spreekt van de kleinste geïntegreerde optische switch tot nu toe. De modulator is zelfs kleiner dan de golflengte van het licht dat het gebruikt, iets dat teamleider Juerg Leuthold, professor op gebied van Photonics and Communication, tot voor kort niet voor mogelijk hield.

De modulator bestaat uit twee kleine plaatjes, een van zilver en een van platina. Die zijn op een optisch lichtpad van silicium geplaatst, waarbij ze slechts enkele nanometers naast elkaar staan. Het zilveren plaatje heeft bovendien een uitstulping tot vlak naast het platina waardoor een minuscule doorgang overblijft. De onderzoekers leiden vervolgens licht met een glasvezel naar de doorgang op het lichtpad.

Onder invloed van het licht worden bij het scheidingsvlak van het zilver en platina plasmonen gevormd. De collectieve trilling van de elektronen oscilleert daarbij op de frequentie van het licht, maar met een veel kleinere amplitude. Hierdoor passen de elektronenoscillaties door de kleine doorgang, en aan het andere einde kunnen ze weer omgevormd worden in optische signalen.

Om het systeem te laten schakelen, dient een spanning te worden aangebracht op het zilveren plaatje. Dit zorgt ervoor dat een enkel zilveratoom, of op zijn hoogst enkele atomen, zich naar de punt van de doorgang begeven en het zilveren en platina plaatje met elkaar verbinden, waardoor er een elektrische stroom door kan. Zodra de spanning wordt teruggebracht, keert het atoom terug en is de doorgang weer vrij voor de plasmonen. Op deze manier ontstaat een aan- en uitschakeling die volgende onderzoekers miljoenen keren gebruikt kan worden.

"Dit stelt ons in staat een digitale schakeling te maken, zoals bij een transistor", stelt Leuthold. De switch werkt op kamertemperatuur maar functioneert voor een modulator nog wel traag: op megahertz-niveau of lager. Bovendien slaagt de productie van het systeem slechts een op de zes keer. Het team wil nu toewerken naar gebruik op terahertz-niveau en het lithografieprocedé verbeteren. Binnen enkele jaren moet een praktische uitwerking gereed zijn.

Het onderzoek van de ETH Zürich is onder de noemer Atomic Scale Plasmonic Switch gepubliceerd in Nano Letters.

Reacties (19)

'Het team wil nu toewerken naar gebruik op terahertz-niveau.'

Een tetahertz?! Heb hier niet veel verstand van maar is er een kans dat deze ontwikkelingen zich voortzet naar de gewone computer chips?

Edit: oké we zullen ze voorlopig nog niet in gewone computers zien. Wat voor toepassingen heb je hiermee? Supercomputers oid?

[Reactie gewijzigd door Genius-General op 3 februari 2016 17:53]

Een schakelaar op een bepaalde snelheid betekent niet dat een chip op basis van die schakelaar op dezelfde frequentie werkt. In moderne chips zitten transistoren die tot ruim boven de 10 GHz kunnen schakelen, echter er gaat ook tijd verloren in het transporten van elektrische lading tussen transistoren, er kunnen er vele achter elkaar geschakeld zijn (die wel binnen 1 klokpuls hun werk dienen te doen) en zo verder.

Lijkt me niet. 1 kloktik @ 1 terahertz, op de snelheid van het licht, is 0.3 millimeter. Dat betekend dat alle componenten die moeten communiceren en iets in die kloktik moeten doen, niet verder dan 0.3 mm van elkaar verwijderd mogen zijn. En dan heb je nog andere problemen zoals het synchroniseren van de klok, wat erg lastig wordt omdat ook het kloksignaal niet sneller dan het licht kan.

Dus dit zal vast een functie hebben voor iets, maar het lijkt me erg onwaarschijnlijk dat je dit in normale gaat CPUs vinden.

Tijd voor asynchrone CPU's

https://en.wikipedia.org/..._circuit#Asynchronous_CPU

Verder kan je klok nog als een golf door het design laten bewegen, maar houdt dat maar eens in sync. Beide methoden zouden low level programmeren ook weer drastisch veranderen waardoor het nog wel even duurt voordat we zoiets in de praktijk gaan zien.

Waar ik me meer zorgen over maak:

Op deze manier ontstaat een aan- en uitschakeling die volgende onderzoekers miljoenen keren gebruikt kan worden.

Als die daarna stuk zou gaan dan is deze op 1 Thz al stuk na enkele nanosecondes.

Overigens zijn er al 1Thz transitors gemaakt:
http://www.electronicswee...tor-speed-record-2014-10/

Maar om een hele CPU daar op te laten werken is vooralsnog niet mogelijk. Er wordt al wel aan gewerkt, ook door Intel

http://www.circuitstoday.com/terahertz-transistors

Uiteraard is een Thz modulator voor van alles in te zetten zoals zenders/ontvangers, medische scanners en nog veel meer.

Maar

Precies wat ik dacht. Ik las in C't iets van 15 jaar geleden al daarover.

0,3mm is op de schaal van deze componenten natuurlijk best een heel groot gebied.

Lijkt me niet. 1 kloktik @ 1 terahertz, op de snelheid van het licht, is 0.3 millimeter. Dat betekend dat alle componenten die moeten communiceren en iets in die kloktik moeten doen, niet verder dan 0.3 mm van elkaar verwijderd mogen zijn.

Hmm.. niet helemaal mee eens.
Waar jij het nu eigenlijk over hebt is latency.
Maar dat zegt op zich niks over hoeveel data er per seconde verwerkt kan worden.

En dan heb je nog andere problemen zoals het synchroniseren van de klok, wat erg lastig wordt omdat ook het kloksignaal niet sneller dan het licht kan.

Daar kan je meerdere klokken voor gebruiken die afgeleid zijn van een masterklok.

Begrijp ik goed dat als je dit procedé doorzet je uiteindelijk chips met schakelingen op atoomniveau kunt maken? Met kloksnelheden in het bereik van één of meer terrahertz ??

Er zijn één / een paar atomen die het schakelen doen, de hele transistor is significant groter. Zo was er ook een jaar geleden ofzo een paper waarbij ze de één atooms transistor hadden gemaakt, zeiden ze. Wat ze bedoelde was dat er een enkele doping atoom in de transistor zat, wat niet heel boeiend is.

Daarnaast zitten transistoren momenteel ook al boven de 100GHz qua maximale frequentie (waarbij die gedefinieerd is als de frequentie waarop ze nog kunnen versterken zonder extra trucjes zoals spoelen toevoegen), dat betekend niet dat je CPU dat ook haalt . Gezien deze een elektrische input heeft kan je eigenlijk überhaupt heel moeilijk spreken over maximale snelheid imo.

Gezien deze een elektrische input heeft kan je eigenlijk überhaupt heel moeilijk spreken over maximale snelheid imo

Hierdoor moest ik denken aan of er nog een ander theoretisch maximum is. Je hebt natuurlijk wel een electron nodig om de beslissing te maken ,die gaan op een veel lager tempo, maar zie het als een rij knikkers in een buis, duw er 1 in en er komt er vrijwel direct 1 aan de andere kant uit (ook dit gaat nooit sneller dan het licht btw). Er moet altijd wel een knikker door de transistor geduwd worden om de beslissing te maken dus je hebt daar ook te maken met een maximum. Bij 1A gaan er in 1 seconde 6.25x10^18 elektronen door.

Daarna kom je bij een moeilijker stuk, hoeveel daarvan gaan er door een transistor op een moderne CPU per klok. Laten we eens uitgaan van een 150W CPU op 1.5V dat levert 100A op, laten we verder uitgaan van 100 miljoen actieve transistoren in een core Laat maar hier al een poging gedaan om uit te rekenen in 2008:

http://ask.metafilter.com...s-in-each-processor-cycle

Eigenlijk gaat het er meer om hoeveel Ampere je door zo'n kleine transistor kan proppen. Dit hangt af van veel factoren (voornamelijk geleiding van het materiaal en hoe goed kan je het koelen). Als je uit zou gaan van een micro Ampere op 1Ghz dan kom je nog steeds op 6250 elektronen per klok. Dus rond de 6.2 Thz zou dan de max zijn. Een miljard transistoren op die snelheid zou dan 1000A nodig hebben, op 0.1V zou dit dan 100W zijn.

Allemaal puur speculatie, maar limieten zijn er wel en ze komen steeds dichter bij

Nou, je hebt meer nodig dan alleen dit. Je hebt nog een detector nodig, iets dat licht produceert, een ondergrond, een clock, wat cache, en vergeet ook de verbindingen niet.
Ik denk niet dat het echt atoomniveau word.

Hoe werkt het schakel gedeelte nou? Op welke manier wordt de verbinding tussen het platina en het zilver plaatje gemaakt en verbroken?

"Om het systeem te laten schakelen, dient een spanning te worden aangebracht op het zilveren plaatje. Dit zorgt ervoor dat een enkel zilveratoom, of op zijn hoogst enkele atomen, zich naar de punt van de doorgang begeven en het zilveren en platina plaatje met elkaar verbinden, waardoor er een elektrische stroom door kan. Zodra de spanning wordt teruggebracht, keert het atoom terug en is de doorgang weer vrij voor de plasmonen. Op deze manier ontstaat een aan- en uitschakeling die volgende onderzoekers miljoenen keren gebruikt kan worden."

Ik heb een klein vermoeden, maar weet het niet zeker.

"Zie zelfde quote als hierboven"

Edit
Zo dat was al weer te laat, quote maar weggehaald, 2x is te veel van het goede.

[Reactie gewijzigd door Albinoraptor op 3 februari 2016 17:04]

Even ter verduidelijking er is geen verbinding tussen de platina en het zilver. wat hier word gemoduleerd (geschakeld) zijn de surface plasmonen die door het licht uit de waveguide komen.

Niet. Het is een optische schakeling. Het licht dat tussen de plaatjes door gaat wordt al dan niet geblokkeerd (hoewel dit tussen de plaatjes in de vorm van electriciteit reist). Op de afbeelding gaat het signaal dus horizontaal, niet vertikaal.

[Reactie gewijzigd door StefanDingenout op 3 februari 2016 17:09]

Kan iemand me uitleggen wat plasmonen zijn? Zonder wikipediataal?


Inleiding: switch werkt nog niet
1na laatste alinea: switch werkt op MHz-niveau

Edit: gefixt

[Reactie gewijzigd door asdfCYBER op 3 februari 2016 18:42]

Inleiding: de switch werkt nog niet snel

"plata o plomo" zullen ze daar wschl wel niet graag horen