Kan Perovskitter Være Nøglen Til Fotonic Computing?

Fra Solenergi Til Fotonik

Perovskitter er en ny type materiale, der i stigende grad undersøges for deres potentiale inden for solenergi. Halvlederkrystaller kan være endnu mere effektive til at omdanne lys til elektricitet end traditionelle siliciumbaserede solpaneler.

Kilde: iRocks

Dette er en mulig måde at forbedre solpanelteknologien på, som vi diskuterede i “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.” Det ser nu ud til, at perovskitter potentielt kan konkurrere med silicium på et andet område: beregning.

Efterhånden som traditionelle siliciumprocessorer bliver mindre og mindre, søger industrien efter måder at udføre beregning på anderledes. En sådan overvejet metode er fotonik, hvor lys i stedet for elektricitet er bærer af data til at udføre beregningen. På denne måde kan beregningen udføres med lysets hastighed, hvilket reducerer behovet for så mange transistorer som i traditionel elektronisk beregning.

For at gøre dette omfatter den foreslåede metode til at bygge fotoniske beregningssystemer laserbaseret nanoskalamanipulation af silicium og bedre lys‑til‑lyd‑konverteringssystemer.

Den meste fotoniske teknologi har indledningsvis fokuseret på siliciumbaserede løsninger, da dette med langt størst er det materiale, som chip‑produktionsindustrien forstår bedst.

Alligevel giver det mening, at perovskitter, et materiale kendt for sin evne til at håndtere lys og elektricitet samtidigt, ville udgøre et fremragende grundlag for fotonisk beregning.

Formning af Perovskritkrystaller Efter Ønske

Dette var ræsonnementet, som forskere ved Fakultetet for Fysik på Warszawa Universitet i samarbejde med andre institutioner fra Polen, Italien, Island og Australien fulgte. For at bane vejen for yderligere fremskridt inden for perovskit‑baseret fotonik, udviklede de en metode til præcist at “skære” perovskritkrystaller. De beskrev deres metode i en artikel med titlen “Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing”.

Materialet de brugte er en type perovskit kaldet CsPbBr3 (cesium‑bly‑bromid). Det har stort potentiale for optiske anvendelser takket være den lave energi, der kræves for ikke‑lineær lysforstærkning. Det betyder, at dette materiale kan forstærke og modulere lys med meget lavt energiforbrug, en af de væsentlige fordele ved fotonik i forhold til elektronik.

Deres metode formåede at skabe CsPbBr3‑krystaller i enhver form, fra enkle hjørner til glatte kurver. Noget der normalt er meget svært at opnå inden for krystallografi.

Desuden kan disse krystaller fremstilles på enhver underlag, hvilket gør dem kompatible med eksisterende fotoniske enheder. Så selvom de er innovative, kræver de ikke udviklingen af et helt nyt felt inden for fotonisk teknologi for at blive anvendelige.

Hvordan De Gjorde Det

Mange af de metoder, som forskerne brugte til at dyrke perovskritkrystallerne, er afledt af metoder kendt i halvlederindustrien. For eksempel anvender de nøje kontrolleret opløsningskoncentration og væksttemperaturer, mens de opretholder et atmosfære af mættede opløsningsmiddeldampe.

Derefter brugte de næsten atomisk glatte galliumarsenid‑skabeloner fremstillet ved hjælp af elektronstråle‑litografi og plasma‑etsning. Galliumarsenid er et velkendt materiale, især anvendt i produktion af LED‑lys.

Ved hjælp af en mikrofluidisk tilgang formåede de at dyrke krystallen i smalle polymerforme, som kan præges med enhver form fra en skabelon.

Hvad Kan Fotonic Perovskitter Gøre?

Strømstyring Over Lys

Krystallerne demonstrerede også stærke ikke‑lineære optiske effekter. Ikke‑lineær optik gør det muligt at ændre farven og formen på en lysstråle i rum og tid samt skabe de korteste hændelser nogensinde fremstillet af mennesker – alle fænomener, der er meget nyttige for fotonisk beregning.

Kvantum‑effekter

Lyset, der udsendes af perovskritkrystallen, produceres af en meget speciel tilstand af materie kaldet en Bose‑Einstein‑kondensat.

Kilde: UCSB Physics Department

Dette er den 5. tilstand af materie (ud over fast, gas, væske og plasma), hvor mange atomer kan opføre sig som en bølge i stedet for almindelig materie. På den måde får flere atomer at opføre sig som normalt kun sub‑atomare partikler kan, hvilket gør kvanteeffekter synlige på næsten makroskopisk skala.

Denne tilstand af perovskritkrystallerne skabte et exciton‑polariton‑kondensat, en specifik undertype af Bose‑Einstein‑kondensat.

Så de observerede ikke‑lineære effekter er sandsynligvis forbundet med interaktioner inden for kondensatet.

Takket være de unikke egenskaber ved perovskitstrukturer kan kondensatet rejse lange afstande inden i krystallerne, og det udsendte lys kan propagere gennem luftgaps til nabostrukturer.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

At kunne skabe og manipulere disse Bose‑Einstein‑kondensater efter vilje giver forskere mulighed for at udsende og sprede lys på en meget præcis måde.

Dette vil være meget nyttigt for udviklingen af pålidelige og højtydende fotoniske chips.

Simulationer For Bedre Forudsigelse

Forskningspapiret forklarer også, hvordan de takket være komplekse beregninger var i stand til at skabe en simulation af komplekst formede 3D‑strukturer, deres påvirkning på fotoniske tilstande og vise, hvordan deres billede dannes.

Opdagelsen muliggør deres brug i kompakte “on-chip”-systemer, der kan håndtere både klassiske og kvante‑beregningsopgaver.

Vi forudsiger, at vores opdagelser vil åbne døren til fremtidige enheder, der kan operere på enkelt‑foton‑niveau, ved at integrere nanolasere med bølgledere og andre elementer på en enkelt chip.

Prof. Michał Matuszewski – Center for Teoretisk Fysik ved den Polske Videnskabsakademi

Fremtidige Anvendelser

Fotonic‑Kvantumcomputer

En vigtig fordel ved at bruge disse opdagelser på perovskitter er, at disse krystaller kan anvendes ved stuetemperatur.

Dette er meget vigtigt, da effekterne fra Bose‑Einstein‑kondensater normalt kun er observerbare ved temperaturer lige over det absolutte nulpunkt. Det gør dem åbenlyst langt mindre praktiske og brugbare til enhver “normal” beregning.

Dette kunne også udviske grænsen mellem kvanteberegning og fotonik, med mulige fremtidige computersystemer, der bruger begge samtidigt.

Dette inkluderer meget avancerede koncepter som ikke‑lineær fotonik som bølgledere, koblere, splittere og modulatorer.

Silicium‑Perovskit‑Beregning

En anden egenskab ved disse nye finjusterede perovskritkrystaller er deres kompatibilitet med silicium‑ og galliumarsenid‑underlag. Så de kan let kombineres med eksisterende silicium‑ og andre material‑halvlederteknologier.

Dette kunne i høj grad mindske afstanden mellem den nuværende beregningsteknologi og adoptionen af fotonik, hvor fotonik først udvikles og adopteres til begrænsede anvendelser, i stedet for at skulle have et helt nyt parallelle teknologisæt fra starten.

Investering i Perovskitter & Fotonik

Takket være eksisterende anvendelser inden for solenergi og beregning kan der allerede investeres i perovskitter og fotonik, selvom de befinder sig i spidsen af materialvidenskab og beregningsinnovation.

Du kan investere i fotoniske virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien og Storbritannien, samt i mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke fotoniske virksomheder, kan du også kigge på ETF’er som Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY), som giver en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af fotonikindustrien.

Du kan også læse vores artikel om “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies”.

Fotonikvirksomheder

1. JABIL

Ved udgangen af 2023 besluttede Intel (INTC ) at frasælge sin fotoniske forretning til halvlederproducenten Jabil (JBL).

Mere præcist erhvervede den Intel’s silicium‑fotonik‑transceiver‑teknologi, som kan bygge bro mellem optiske signaler og elektroniske signaler på silicium.

Kilde: TrendForce

“Intels moduler bruges til at forbinde Ethernet‑switches i store datacentre, men efterhånden som efterspørgslen efter båndbredde stiger, forventer firmaet, at silicium‑fotonik, der er co‑pakket med switch‑ASIC’er, vil levere den båndbredde‑tæthed, der er nødvendig for at skalere fremtidige datacenter‑netværk.

Jabil er ekstremt godt positioneret til at støtte kunder, når de integrerer innovative teknologier i deres datacentre for at håndtere de stigende krav til strøm og køling, som kunstig intelligens driver.

Matt Crowley, Jabil’s senior vicepræsident for cloud og virksomhedsinfrastruktur

Dette tilførte ekstra IP til virksomhedens fotoniske afdeling, som allerede kommercialiserer fotonbaserede teknologier:

• Fiber‑tilslutningsløsninger: aktiv justering, passiv justering, enkelt fiber, fiber‑array.
• Monteringsløsninger: pick‑and‑place, die‑bond, wire‑bond, flip‑chip, reflow.
• Epoxy‑applikation og -styring: udvælgelse, karakterisering, dosering.
• Indkapslingsløsninger: guld‑boks, dam‑and‑fill, glob‑top.
• Fri‑rum‑optik: linser/linse‑arrays, stråle‑formere, splittere, diffusorer, bølgledere.

Jabil har en diversificeret forretning med milliarder i omsætning fra bilproducenter, sundheds‑ og emballageindustrien, industrielle virksomheder, 5G‑trådløs osv. I alt $27,5 mia i omsætning i 2024.

Virksomheden kunne drage stor fordel af bedre fotonisk teknologi, i betragtning af dens allerede eksisterende rolle i produktion af splittere, formere osv. til lys‑arrays.

Intel‑IP’en kunne også hjælpe med at bygge bro mellem silicium og lys udsendt af perovskritkrystaller.

Efterhånden som efterspørgslen efter chip‑interkonnektivitet vokser for AI‑applikationer, kan dette blive fotonikens første store gennembrud, med en rolle i at forbinde (stadig) silicium‑baseret beregning med fotonik‑baseret optisk netværk.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26.000 ansatte og en førende inden for laserteknologi, som er resultatet af fusionen mellem det avancerede materiale II‑VI Marlow og laserproducenten Coherent.

Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der anvendes i lasere, optik og fotonik, såsom indiumfosfid, epitaktiske wafere og galliumarsenid.

Den voksede i høj grad takket være flere opkøb i løbet af det sidste årti.

Kilde: Coherent

Virksomheden får 29 % af sin omsætning fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende udstyr som optisk fiber, elektronik og instrumentering.

Kilde: Coherent

Virksomhedens tilstedeværelse inden for avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumkarbid, lasere og elektronik hjælper den med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten inden for præcisionsfremstilling, additiv fremstilling (3D‑print), elektrificering og vedvarende energier.

Virksomheden har for nylig adskilt sin siliciumkarbid‑forretning i en ny enhed, som ejes 75 % af Coherent, mens resten ejes ligeligt af dets partnere Mitsubishi Electric (der bringer siliciumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (der bringer sin aktivitet som billeverandør inden for elektrificering og kraft‑halvledere).