Könnten Perowskite der Schlüssel zur photonischen Computertechnik sein?

Von Solar zu Photonik

Perowskite sind ein neuer Materialtyp, der zunehmend auf sein Potenzial in der Solarenergie untersucht wird. Halbleiterkristalle könnten bei der Umwandlung von Licht in Strom noch leistungsfähiger sein als herkömmliche, siliziumbasierte Solarmodule.

Quelle: iRocks

Dies ist ein möglicher Weg, die Solarpaneltechnologie zu verbessern, über den wir in „The Solar Age—A Bright Future To Mankind“ diskutierten. Jetzt scheint es, dass Perowskite möglicherweise mit Silizium in einem anderen Bereich konkurrieren könnten: der Berechnung.

Da traditionelle Siliziumprozessoren immer kleiner werden, sucht die Branche nach alternativen Methoden zur Berechnung. Eine in Betracht gezogene Methode ist die Photonik, bei der Licht anstelle von Elektrizität die Datenübertragung für die Berechnung übernimmt. Auf diese Weise kann die Berechnung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgen, wodurch der Bedarf an so vielen Transistoren wie bei herkömmlichen elektronischen Berechnungen reduziert wird.

Dafür beinhaltet die vorgeschlagene Methode zum Aufbau photonischer Rechensysteme die laserbasierte nanoskalige Manipulation von Silizium und verbesserte Licht‑zu‑Schall‑Umwandlungssysteme.

Die meiste photonische Technologie konzentrierte sich zunächst auf siliziumbasierte Lösungen, da dieses Material bei der Chip‑Herstellungsindustrie bei weitem am besten verstanden wird.

Dennoch wäre es logisch, dass Perowskite, ein Material, das für seine Fähigkeit bekannt ist, gleichzeitig Licht und Elektrizität zu verarbeiten, eine hervorragende Grundlage für photonisches Computing bilden könnten.

Perowskitkristalle nach Belieben formen

Dies war die Argumentation der Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen aus Polen, Italien, Island und Australien. Um den Weg für weitere Fortschritte in der perowskitbasierten Photonik zu ebnen, entwickelten sie eine Methode, Perowskitkristalle präzise zu „schneiden“. Sie beschrieben ihre Methode in einem Artikel mit dem Titel „Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing“.

Das von ihnen verwendete Material ist eine Art Perowskit namens CsPbBr3 (Cäsium‑Blei‑Bromid). Es hat ein großes Potenzial für optische Anwendungen, dank der geringen Energie, die für die nichtlineare Lichtverstärkung benötigt wird. Das bedeutet, dass dieses Material Licht mit sehr geringem Energieverbrauch verstärken und modulieren kann – einer der wichtigsten Vorteile der Photonik gegenüber der Elektronik.

Ihre Methode ermöglichte es, CsPbBr3‑Kristalle in jede Form zu bringen, von einfachen Ecken bis zu glatten Kurven – etwas, das in der Kristallographie normalerweise sehr schwer zu erreichen ist.

Zusätzlich können diese Kristalle auf jedem Substrat hergestellt werden, wodurch sie mit bestehenden photonischen Bauteilen kompatibel sind. Sie sind also innovativ, erfordern jedoch nicht die Entwicklung eines völlig neuen Feldes der Photoniktechnologie, um nutzbar zu werden.

Wie sie es gemacht haben

Viele der von den Forschern zur Züchtung der Perowskitkristalle verwendeten Methoden leiten sich von Verfahren ab, die der Halbleiterindustrie bekannt sind. Beispielsweise verwenden sie streng kontrollierte Lösungskonzentrationen und Wachstumstemperaturen, während sie eine Atmosphäre gesättigter Lösungsmitteldämpfe aufrechterhalten.

Anschließend nutzten sie nahezu atomar glatte Galliumnitrid‑Vorlagen, die mittels Elektronenstrahl‑Lithografie und Plasmaätzen hergestellt wurden. Galliumnitrid ist ein gut bekanntes Material, das insbesondere bei der LED‑Lichtproduktion verwendet wird.

Durch einen mikrofluidischen Ansatz gelang es ihnen, den Kristall in schmalen Polymerformen zu züchten, die aus einer Vorlage jede gewünschte Form erhalten können.

Was können photonische Perowskite leisten?

Leistungssteuerung über Licht

Die Kristalle zeigten zudem starke nichtlineare optische Effekte. Die nichtlineare Optik ermöglicht es, die Farbe und Form eines Lichtstrahls im Raum und in der Zeit zu verändern und die kürzesten vom Menschen je erzeugten Ereignisse zu erzeugen – alles Phänomene, die für photonische Berechnungen sehr nützlich sind.

Quanten‑Effekte

Das von dem Perowskitkristall emittierte Licht entsteht durch einen ganz besonderen Materiezustand, der als Bose‑Einstein‑Kondensat bezeichnet wird.

Quelle: UCSB Physics Department

Dies ist der fünfte Materiezustand (neben fest, gasförmig, flüssig und Plasma), bei dem viele Atome wie eine Welle statt wie gewöhnliche Materie agieren können. In dieser Hinsicht verhalten sich mehrere Atome ähnlich wie normalerweise nur subatomare Teilchen, wodurch Quanten‑Effekte fast auf makroskopischer Skala sichtbar werden.

Dieser Zustand der Perowskitkristalle erzeugte ein Exziton‑Polariton‑Kondensat, eine spezielle Unterart des Bose‑Einstein‑Kondensats.

Daher sind die beobachteten nichtlinearen Effekte wahrscheinlich mit Wechselwirkungen im Kondensat verbunden.

Dank der einzigartigen Eigenschaften von Perowskit‑Strukturen kann das Kondensat weite Strecken innerhalb der Kristalle zurücklegen, und das emittierte Licht kann durch Luftzwischenräume zu benachbarten Strukturen propagieren.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Die Möglichkeit, diese Bose‑Einstein‑Kondensate nach Belieben zu erzeugen und zu manipulieren, gibt Wissenschaftlern die Chance, Licht sehr präzise zu emittieren und zu streuen.

Dies wird für die Entwicklung zuverlässiger und leistungsstarker photonischer Chips äußerst nützlich sein.

Simulationen für bessere Vorhersagen

Das Forschungspapier erklärt außerdem, wie sie dank komplexer Berechnungen eine Simulation von 3‑D‑Strukturen komplexer Formen erstellen konnten, deren Einfluss auf photonische Modi und wie deren Bild entsteht.

„Die Entdeckung ermöglicht ihren Einsatz in kompakten „On‑Chip“-Systemen, die sowohl klassische als auch quantenbasierte Rechenaufgaben bewältigen können.

Wir prognostizieren, dass unsere Entdeckungen den Weg zu zukünftigen Geräten öffnen werden, die auf Einzel‑Photon‑Ebene arbeiten und Nanolasern mit Wellenleitern und anderen Elementen auf einem einzigen Chip integrieren.“

Prof. Michał Matuszewski – Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences

Zukünftige Arbeiten werden also in der Lage sein, optische Effekte vorherzusagen, die für die Photonik und die Datenübertragung ohne elektrische Signale nützlich sind.

Zukünftige Anwendungen

Photonisch‑Quanten‑Computer

Ein wesentlicher Vorteil der Nutzung dieser Entdeckungen mit Perowskiten ist, dass diese Kristalle bei Raumtemperatur eingesetzt werden können.

Das ist sehr wichtig, da die Effekte von Bose‑Einstein‑Kondensaten normalerweise nur bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt beobachtbar sind, was sie für jede „normale“ Berechnung offensichtlich weniger praktisch und nützlich macht.

Dies könnte zudem die Grenze zwischen Quantencomputing und Photonik verwischen, wobei zukünftige Computersysteme möglicherweise beide gleichzeitig nutzen.

Dazu gehören sehr fortgeschrittene Konzepte wie nichtlineare Photonik in Form von Wellenleitern, Kopplern, Teilern und Modulatoren.

Silizium‑Perowskit‑Computing

Eine weitere Eigenschaft dieser neu abgestimmten Perowskitkristalle ist ihre Kompatibilität mit Silizium‑ und Galliumnitrid‑Substraten. Sie können also leicht mit bestehenden Silizium‑ und anderen Halbleitertechnologien kombiniert werden.

Dies könnte die Lücke zwischen der aktuellen Computertechnologie und der Einführung der Photonik erheblich verkleinern, wobei die Photonik zunächst für begrenzte Anwendungen entwickelt und übernommen wird, anstatt zunächst ein völlig neues, paralleles Technologiekonzept zu benötigen.

Investitionen in Perowskit & Photonik

Dank bereits bestehender Anwendungen in Solarenergie und Computing können in Perowskite und Photonik bereits investiert werden, obwohl sie sich noch am Rand der Materialwissenschaften und Computerinnovation befinden.

Sie können in Photonikkonzerne über zahlreiche Broker investieren, und Sie finden hier auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien und dem Vereinigten Königreich sowie in vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Photonikkonzerne auszuwählen, können Sie auch ETFs wie den Global X Cloud Computing ETF (CLOU), den Defiance Quantum ETF (QTUM) oder den ProShares Nanotechnology ETF (TINY) in Betracht ziehen, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom Photonikkmarkt zu profitieren.

Sie können auch unseren Artikel über die „Top 10 Non‑Silicon Computing Companies“ lesen.

Photonik‑Unternehmen

1. JABIL

Ende 2023 beschloss Intel (INTC ), sein Photonikgeschäft an den Halbleiterhersteller Jabil (JBL) zu veräußern.

Genauer gesagt erwarb es Intels Silizium‑Photonik‑Transceiver‑Technologie, die die Lücke zwischen optischen Signalen und elektronischen Signalen auf Silizium überbrücken kann.

Quelle: TrendForce

„Intels Module werden verwendet, um Ethernet‑Switches in großen Rechenzentren zu verbinden, aber da die Nachfrage nach Bandbreite steigt, erwartet das Unternehmen, dass Silizium‑Photonik, gemeinsam mit Switch‑ASICs verpackt, die für die Skalierung zukünftiger Rechenzentrumsnetze erforderliche Bandbreitendichte bereitstellt.

Jabil ist hervorragend positioniert, Kunden zu unterstützen, wenn sie innovative Technologien in ihre Rechenzentren integrieren, um den durch künstliche Intelligenz getriebenen steigenden Anforderungen an Leistung und Kühlung gerecht zu werden.“

Matt Crowley, Jabil’s senior VP of cloud and enterprise infrastructure

Damit wurde dem photonischen Bereich des Unternehmens zusätzliches IP verliehen, das bereits photonikbasierte Technologien kommerzialisiert:

• Faser‑Montagelösungen: aktive Ausrichtung, passive Ausrichtung, Einzelfaser, Faser‑Array.
• Montagelösungen: Pick‑and‑Place, Die‑Bond, Wire‑Bond, Flip‑Chip, Reflow.
• Epoxid‑Anwendung und -Management: Auswahl, Charakterisierung, Dosierung.
• Verkapselungs‑Lösungen: Gold‑Box, Dam‑and‑Fill, Glob‑Top.
• Freiraum‑Optik: Linsen/Linsen‑Arrays, Strahl‑Formgeber, Teiler, Diffusoren, Wellenleiter.

Jabil verfügt über ein diversifiziertes Geschäft mit Milliardenumsätzen aus der Automobilindustrie, dem Gesundheits‑ und Verpackungssektor, Industrieunternehmen, 5G‑Drahtfunk usw., insgesamt 27,5 Mrd. $ Umsatz im Jahr 2024.

Das Unternehmen könnte stark von besserer Photoniktechnologie profitieren, da es bereits eine Rolle bei der Herstellung von Teilern, Formgebern usw. für Lichtarrays spielt.

Das Intel‑IP könnte zudem helfen, die Lücke zwischen Silizium und dem von Perowskitkristallen emittierten Licht zu schließen.

Da die Nachfrage nach Chip‑Interkonnektionen für KI‑Anwendungen steigt, könnte dies der erste große Durchbruch der Photonik sein, mit einer Rolle bei der Schnittstelle zwischen (nach wie vor) siliziumbasierter Berechnung und photonikbasierter optischer Vernetzung.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent ist ein großer Industriekonzern mit über 26.000 Mitarbeitenden und ein führendes Unternehmen im Bereich Lasertechnologie, entstanden aus der Fusion des Hochleistungs‑Materials II‑VI Marlow mit dem Lasermacher Coherent.

Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnitrid.

Es wuchs vor allem dank zahlreicher Akquisitionen im letzten Jahrzehnt.

Quelle: Coherent

Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Einnahmen aus Lasern, der Rest stammt aus zugehörigen Geräten wie optischen Fasern, Elektronik und Messgeräten.

Quelle: Coherent

Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (wie wir in einem vorherigen Artikel besprochen haben), Siliziumkarbid, Lasern und Elektronik ermöglicht es, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3‑D‑Druck), der Elektrifizierung und erneuerbaren Energien zu profitieren.

Das Unternehmen hat kürzlich sein Siliziumkarbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, während der Rest zu gleichen Teilen von seinen Partnern Mitsubishi Electric (die Siliziumkarbid‑Power‑IP einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter aktiv sind) gehalten wird.