Işıkla çalışan çip: Kuantum fiziğinde elektriksiz elektron yönlendirme

Optoelektronik ve yarı iletken mimarilerinde geleneksel devre tasarımlarını değiştirebilecek yeni bir yöntem geliştirildi. Michigan Üniversitesi Fizik Bölümü araştırmacıları, Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen projede iki farklı renkte lazer ışını kullanarak harici voltaj uygulamadan bir yarı iletken malzeme üzerinde düzenli elektron akışı oluşturdu. Lurie Nanofabrikasyon Tesisi’nde geliştirilen mikro cihazda, iki optik alanın polarizasyonu, yani dalga salınım yönü değiştirilerek elektronların hareket rotası kontrol edildi. Çalışma, ışığın yalnızca akımı açıp kapatmakla kalmadığını, elektronları dar bir hat üzerinde deniz feneri gibi istenen yöne tarayabildiğini gösterdi. Araştırma, Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

Fiziksel temas ve elektrik voltajı gerektirmeyen mekanizma, mikroişlemciler ile optik devreler arasındaki veri iletiminde yeni bir yaklaşım sunuyor. Sistem, elektronların yarı iletken içinde belirli bir yönde hareket etmesini doğrudan ışık aracılığıyla sağlıyor.

İKİ FARKLI IŞIK YOLU KULLANILDI

Keşfin temelinde, yarı iletken malzemenin aynı anda iki farklı ışık yolundan foton soğurması bulunuyor. Kuantum girişimi sonucunda üst üste binen ışık dalgaları, belirli bir yönde hareket eden elektronları güçlendirirken diğer yönlere giden elektron akımlarını nötralize ederek iptal ediyor. Bu yapı sayesinde akımın yönü, harici bir elektrik alanına ihtiyaç duyulmadan optik olarak belirlenebiliyor.

Araştırmaya öncülük eden Yiming Gong, cihazın üretimindeki en büyük teknik engelin malzeme içinde istenmeyen bir elektrik alanı oluşmasını önlemek olduğunu belirtti. Toronto Üniversitesi’nden J.E. Sipe’ın teorik tahminlerini çalışan bir yarı iletken cihaza dönüştüren ekip, sıcaklık ve malzeme reçetelerini optimize ederek harici güç kaynağından bağımsız bir sistem kurdu.

ELEKTRON AKIMI OPTİK OLARAK KONTROL EDİLİYOR

Geleneksel iletkenlerde elektronların malzeme içinde farklı yönlere saçılması, direnç ve ısı oluşumuna yol açıyor. Bu durum, işlemci frekanslarının artırılmasının önündeki başlıca teknik sınırlamalardan biri olarak görülüyor. Yeni yöntemde elektron akımı doğrudan ışıkla yönlendirildiği için çip içindeki veri taşıma süreçlerinde oluşan güç kayıplarının azaltılması hedefleniyor.

Elektronların optik yöntemlerle kontrol edilmesi, sensör, görüntüleme ve telekomünikasyon altyapılarında daha yüksek veri taşıma kapasitesine sahip sistemlerin geliştirilmesine imkân sağlayabilir. Optik ve elektronik işlevleri aynı silikon katman üzerinde birleştiren bu cihazların, süper bilgisayarlar ve kuantum iletişim ağlarında kullanılabilecek temel bileşenler arasında yer alması bekleniyor.