단일 광자에 반응하는 광 트랜지스터 개발돼

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-25 21:38:25
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* 기존 트랜지스터보다 최대 1천 배 더 빠르게 전환
* 1-광자-스위치는 미래의 순수한 광자 데이터 처리 및 통신을 위한 귀중한 추가 기능
* 전문가, "트랜지스터 판독도 개선해야"

광 트랜지스터: 하나의 광자로 충분하다.
최대 1천 배 더 빠른 광 전자공학 스위치를 위한 새로운 유형의 부품

전자 대신 빛:
연구원들이 단일 광자에 피코초 미만으로 반응하는 광 트랜지스터를 개발했다. 과학자들이 전문 잡지 "Nature"에 보고한 바와 같이 새로운 구성 요소는 기존 트랜지스터보다 최대 1천 배 더 빠르게 전환할 수 있고 더 적은 에너지가 필요하다. 이 1-광자-스위치는 미래의 순수한 광자 데이터 처리 및 통신을 위한 귀중한 추가 기능이다. 

▲ 빛으로 계산하는 것은 미래의 컴퓨터 기술로 간주된다. 새로운 유형의 광 트랜지스터가 그 길을 열 수 있다.

© blackdovfx / 게티 이미지


지금까지 실리콘은 디지털 세계의 기초였다.
트랜지스터 및 기타 구성 요소는 전자가 전송하는 신호를 증폭하고 전환하는 반도체의 능력을 기반으로 한다. 그러나 컴퓨터의 성능을 높이는 데 필요한 소형화에는 한계가 있다. 그래서 연구자들은 이미 광자가 컴퓨팅을 전자로 대체해야 하는 대안을 연구하고 있다. 최초의 하이브리드 및 순수 포토닉 칩은 이미 개발 중이다.

초당 1조 개의 스위칭 작업

이제 IBM Research와 모스크바의 Skolkovo Research Center가 이끄는 연구팀이 실온에서 냉각 없이 작동할 뿐만 아니라 매우 경제적이고 빠른 광 트랜지스터를 개발했다. "최소한의 에너지로도 우리의 스위치는 피코초 이내에 0과 1 사이를 전환할 수 있다"고 과학자들은 설명한다. "이는 초당 1조 개의 스위칭 작업에 해당하며 오늘날 컴퓨터에서 가장 빠른 상용 회로보다 100배 이상 빠르다.“

새로운 점:
같은 연구팀이 개발한 이전 제품과 달리 이 광 트랜지스터는 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 데 몇 개의 광자만 있으면 된다. "연구실에서 우리는 이미 단 하나의 광자로 전환을 달성했다"고 스콜코보 연구 센터(Skolkovo Research Center)의 제1저자 안톤 자세다세레프(Anton Zasedatelev)가 보고했다. 결과적으로 구성 요소는 매우 적은 에너지가 필요하다.

스위치 기능 외에도 광 트랜지스터는 팀이 설명하는 것처럼 광 신호용 증폭기로도 사용될 수 있다. 이 구성 요소는 조사된 레이저 신호의 강도를 최대 2만 3천배까지 증가시킨다.
▲ 출처: 관련논문 Single-photon nonlinearity at room temperature

빛과 물질의 결합

이 광 트랜지스터는 빛과 물질의 독창적인 결합으로 가능하다.
그 핵심은 두 개의 고 반사 거울 사이에 있는 35나노미터의 얇은 유기 반도체 폴리머 층으로 구성돼 있다. 이제 빛이 이 미세 공간으로 들어가면 광자와 반도체에서 생성된 여기자(전자와 정공으로 구성된 가상 입자) 사이에 결합이 발생한다.

빛과 물질의 이러한 결합은 차례로 수천 개의 엑시톤 폴라리톤, 즉 광 트랜지스터의 실제 행위자인 수명이 짧은 준 입자를 생성한다. 들뜬 상태에서 기본 상태로의 변화는 구성 요소를 0에서 1로 전환한다. "꺼짐" 상태에서 펌프 레이저는 엑시톤 극성을 생성하고 들뜬 상태에서 유지한다. "시드" 레이저에서 나온 몇 개의 광자는 이제 이러한 준 입자가 캐스케이드에서 바닥 상태로 떨어지도록 하기에 충분하다. 트랜지스터는 1로 전환된다.
▲ 화상회의 스냅샷. 과학자들이 원리를 설명하고 있다. 1시간 49초 진행된 화상 미팅은 https://youtu.be/Kv25Dw-IuCM 에서 볼 수 있다.

경제적인 스위칭

특히 레이저 주파수와 폴리머 반도체를 최적화함으로써 팀은 이 스위칭을 매우 경제적이고 빠르게 만드는 데 성공했다. 공동 저자인 IBM Research의 틸로 스퇴페를레(Thilo Stöferle)는 "우리는 소수의 광자만 필요해 전환에는 1 attojoule의 에너지만 필요하다"라고 설명했다. "대부분의 최신 트랜지스터는 스위칭 작업당 수십 아토줄을 필요로 하므로 전자를 빛으로 교체하면 전력 소비를 10배까지 줄일 수 있다.“

"그러나 우리 구성 요소의 전체 에너지 요구 사항을 추가로 줄이기 위해서는 일부 최적화가 여전히 필요하다"고 연구자들은 인정했다. 프로토타입에서 펌프 레이저는 지금까지 전력 요구량의 가장 큰 부분을 차지했기 때문이다. 

▲ 연구원들은 화상으로 1광자 트랜지스터가 어떻게

작동하는지 설명하는영상 중 자료 스냅샷. © IBM Research



그들은 이미 광학 트랜지스터의 이러한 측면을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있다. “이에 대한 한 가지 가능성은 현재 동료들과 함께 연구 중인 페로브스카이트 결정일 것이다. 그들은 강한 광물질 결합을 가지고 있어 초 형광의 형태로 강력한 집단 양자 반응을 일으킨다”고 Stöferle는 말했다.

판독은 더 ​​최적화될 수 있다.

뷔르츠브룩(Würzburg) 대학의 세바스티란 클렘트(Sebastian Klembt)가 "Nature"에 첨부된 논평에서 언급했듯이 트랜지스터 판독도 개선해야 한다. 스위칭에 더 적은 수의 광자가 사용되기 때문에 스위칭 신호가 더 약하고 더 불명확하다. 60개의 광자가 있는 0과 1 사이의 선택도가 여전히 160%인 경우 10개의 가벼운 입자가 있는 경우 선택성은 60으로, 1개의 광자는 11%로 떨어진다.

Klembt는 "이 방법이 얼마나 최적화될 수 있는지를 더 연구해야 한다"고 말했다.
그렇지만 그는 새로운 광 트랜지스터가 비선형 광학 및 유기 포토닉스의 아직 젊은 분야를 발전시키기 위한 유망한 접근 방식으로 보고 있다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038 / s41586-021-03866-9)
출처: IBM Research, Skolkovo Institute of Science and Technology(Skoltech)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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