Voisivatko perovskiitit olla avain fotoniselle laskennalle?

Aurinkovoimasta fotoniikkaan

Perovskiitit ovat uusi materiaalityyppi, jota tutkitaan yhä enemmän sen potentiaalin vuoksi aurinkoenergiassa. Puolijohdekiteet voivat olla vielä tehokkaampia valon muuntamisessa sähköksi kuin perinteiset piipohjaiset aurinkopaneelit.

Lähde: iRocks

Tämä on yksi mahdollinen tapa parantaa aurinkopaneeliteknologiaa, josta keskustelimme artikkelissa “Aurinkoaika—Kirkas tulevaisuus ihmiskunnalle”. Nyt näyttää siltä, että perovskiitit voisivat mahdollisesti kilpailla piin kanssa toisella alalla: laskennassa.

Kun perinteiset piiprosessorit muuttuvat yhä pienemmiksi, ala etsii tapoja suorittaa laskenta eri tavalla. Yksi tällainen harkittu menetelmä on fotoniikka, jossa valo sähkövirran sijaan on datan kantaja laskennan suorittamisessa. Näin laskenta voidaan tehdä valon nopeudella, mikä vähentää tarvittavien transistorien määrää perinteiseen elektroniseen laskentaan verrattuna.

Tämän toteuttamiseksi ehdotettu menetelmä fotonisen laskentajärjestelmän rakentamiseen sisältää laserpohjaisen nanoskaalan piin manipuloinnin ja paremmat valo‑ääni‑muunnosjärjestelmät.

Suurin osa fotoniikkateknologiasta on alun perin keskitetty piipohjaisiin ratkaisuihin, koska se on pitkälti materiaali, jonka piirijärjestelmäteollisuus tuntee parhaiten.

Silti olisi järkevää, että perovskiitit, materiaali joka tunnetaan kyvystään käsitellä valoa ja sähköä samanaikaisesti, muodostaisivat erinomaisen perustan fotoniselle laskennalle.

Perovskiittikiteiden muokkaaminen halutulla tavalla

Tämä oli syy, jota noudattivat Varsovan yliopiston fysiikan tiedekunnan tutkijat yhteistyössä muiden puolalaisten, italialaisten, islannilaisten ja australialaisten instituutioiden kanssa. Jotta perovskiittipohjaisen fotoniikan edistymistä voitaisiin vauhdittaa, he loivat tavan leikata perovskiittikiteet tarkasti. He kuvasivat menetelmänsä artikkelissa nimeltä “Ennalta suunnitellut perovskiittikiteiden aallonjohtimet huoneenlämpöisen eksiton–polaritonikondensaation ja reunalaservien toteuttamiseen”.

He käyttivät materiaalia, joka on perovskiitin tyyppi nimeltä CsPbBr3 (käsimiekka‑lyijy‑bromidi). Sillä on suuri potentiaali optisiin sovelluksiin, kiitos alhaisen energian, joka tarvitaan epälineaariseen valonvahvistukseen. Tämä tarkoittaa, että materiaali voi vahvistaa ja moduloida valoa hyvin vähäisellä energiankulutuksella, mikä on yksi fotoniikan keskeisistä eduista elektroniikkaan verrattuna.

Heidän menetelmänsä onnistui luomaan CsPbBr3‑kiteitä mihin tahansa muotoon, yksinkertaisista kulmista sileisiin käyriin. Tämä on tavallisesti erittäin vaikeaa kristallografiassa.

Lisäksi nämä kiteet voidaan valmistaa millä tahansa alustoilla, mikä tekee niistä yhteensopivia olemassa olevien fotoniikkalaitteiden kanssa. Joten, vaikka ne ovat innovatiivisia, ne eivät vaadi kokonaan uuden fotoniikkateknologian alan kehittämistä tullakseen hyödyllisiksi.

Miten he tekivät sen

Monet tutkijoiden käyttämät perovskiittikiteiden kasvatusmenetelmät ovat johdettuja puolijohdeteollisuudelle tutuilta menetelmiltä. Esimerkiksi he käyttävät tarkasti hallittua liuoksen konsentraatiota ja kasvulämpötiloja samalla ylläpitäen kylläisen liuottimen höyryjen ilmakehää.

He käyttivät sitten lähes atomisesti sileitä galliumarsenidi‑mallipohjia, jotka on valmistettu elektronisäde‑litografiaa ja plasma‑kaavintaa käyttäen. Galliumarsenidi on tunnettu materiaali, erityisesti käytetty LED‑valon tuotannossa.

Käyttäen mikrofluidista lähestymistapaa, he onnistuivat kasvattamaan kiteen kapeissa polymeerimuoteissa, jotka voidaan jäljittää millä tahansa mallipohjan muodolla.

Mitä fotoniset perovskiitit voivat tehdä?

Valon tehohallinta

Kiteet osoittivat myös vahvoja epälineaarisia optisia efektejä. Epälineaarinen optiikka mahdollistaa valonsäteen värin ja muodon muuttamisen avaruudessa ja ajassa sekä lyhimpien ihmisen tekemien tapahtumien luomisen — kaikki ilmiöt, jotka ovat erittäin hyödyllisiä fotonisessa laskennassa.

Kvanttiefektit

Perovskiittikiteen emittoima valo syntyy erittäin erityisestä aineen tilasta, jota kutsutaan Bose‑Einstein‑kondensaatioksi.

Lähde: UCSB Physics Department

Tämä viides aineen tila (kiinteän, kaasun, nesteen ja plasmassa) on se, jossa monet atomit voivat käyttäytyä aallona tavallisen aineen sijaan. Tässä mielessä se saa useat atomit käyttäytymään kuin tavallisesti vain subatomiset hiukkaset, jolloin kvanttiefektit näkyvät lähes makroskooppisella tasolla.

Tämä perovskiittikiteiden tila loi eksiton‑polaritonikondensaation, joka on erityinen Bose‑Einstein‑kondensaation alalaji.

Joten havaittuja epälineaarisia efektejä todennäköisesti selittää vuorovaikutus kondensaation sisällä.

Kiitos perovskiittirakenteiden ainutlaatuisten ominaisuuksien, kondensaatti voi kulkea pitkiä matkoja kiteiden sisällä, ja emittoitu valo voi levitä ilmaraon läpi viereisiin rakenteisiin.

Dr. Helgi Sigurðsson – Fysiikan tiedekunta, Varsovan yliopisto

Kyky luoda ja manipuloida näitä Bose‑Einstein‑kondensaattoreita halutessaan antaa tutkijoille mahdollisuuden emittoida ja hajottaa valoa erittäin tarkasti.

Tämä on erittäin hyödyllistä luotettavien ja suorituskykyisten fotonisten sirujen kehittämisessä.

Simulaatiot parempaa ennustamista varten

Tutkimuspaperi selittää myös, miten monimutkaisten laskelmien avulla he pystyivät luomaan simulaation monimutkaisen muotoisista 3D-rakenteista, niiden vaikutuksesta fotonisiin modeihin ja näyttämään, miten niiden kuva muodostuu.

“Löytö mahdollistaa niiden käytön kompakteissa “siru‑päällä” -järjestelmissä, jotka voivat käsitellä sekä klassisia että kvanttisia laskentatehtäviä.

Ennustamme, että löydömme avaavat oven tulevaisuuden laitteille, jotka voivat toimia yksittäisten fotonien tasolla, integroiden nanolasereita aallonjohtimiin ja muihin elementteihin yhdellä sirulla.”

Prof. Michał Matuszewski – Teoreettisen fysiikan keskus, Puolan tiedeakatemia

Joten tuleva työ pystyy ennustamaan optisia efektejä, jotka ovat hyödyllisiä fotoniikalle ja tiedonsiirrolle ilman sähköisiä signaaleja.

Tulevaisuuden sovellukset

Fotoninen‑kvanttinen tietokone

Yksi keskeinen etu näiden perovskiittien löytöjen hyödyntämisessä on, että näitä kiteitä voidaan käyttää huoneenlämmössä.

Tämä on erittäin tärkeää, koska normaalisti Bose‑Einstein‑kondensaation vaikutukset ovat havaittavissa vain lämpötiloissa, jotka ovat juuri nollapisteen yläpuolella. Tämä tekee niistä ilmeisesti paljon vähemmän käytännöllisiä ja hyödyllisiä tavallisessa laskennassa.

Tämä voisi myös hämärtää rajan kvanttilaskennan ja fotoniikan välillä, mahdollisesti tulevaisuuden tietokonejärjestelmät käyttäen molempia samanaikaisesti.

Tämä sisältää erittäin kehittyneitä käsitteitä, kuten epälineaarinen fotoniikka aallonjohtimina, kytkiminä, jakajina ja modulaattoreina.

Piiperovskiitti‑laskenta

Toinen näiden uusien hienosäädettyjen perovskiittikiteiden ominaisuus on niiden yhteensopivuus piin ja galliumarsenidin alustoihin. Näin ne voidaan helposti yhdistää olemassa oleviin piipohjaisiin ja muihin materiaalipohjaisiin puolijohdeteollisuuksiin.

Tämä voisi merkittävästi kaventaa nykyisen laskentateknologian ja fotoniikan omaksumisen välistä kuilua, jolloin fotoniikka kehittyisi ja omaksuttaisiin ensin rajoitetuissa sovelluksissa sen sijaan, että tarvittaisiin kokonaan uutta rinnakkaista teknologista kokonaisuutta.

Sijoittaminen perovskiitteihin ja fotoniikkaan

Kiitos olemassa oleviin sovelluksiin aurinko- ja laskentateknologiassa, perovskiitteihin ja fotoniikkaan voidaan jo sijoittaa, vaikka ne ovatkin materiaalitieteen ja laskentainnovaatioiden kärjessä.

Voit sijoittaa fotoniikkayrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä fotoniikkayrityksiä, voit myös tarkastella ETF:iä kuten Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM) tai ProShares Nanotechnology ETF (TINY), jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen fotoniikka-alan hyödyntämiseen.

Voit myös lukea artikkelimme “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies”.

Fotonikayritykset

1. JABIL

Vuoden 2023 lopussa Intel päätti luopua fotoniikkaliiketoiminnastaan puolijohteiden valmistajalle Jabil (JBL).

Tarkemmin sanottuna se hankki Intelin piifotoninen transceiver‑teknologian, joka voi silata kuilua optisten signaalien ja elektronisten signaalien välillä piissä.

Lähde: TrendForce

“Intel‑moduuleja käytetään Ethernet‑kytkimien yhdistämiseen suurissa datakeskuksissa, mutta kun kaistanleveyden kysyntä kasvaa, yritys odottaa piifotonisten, kytkimen ASIC‑piirien kanssa paketoitujen ratkaisujen tarjoavan tarvittavan kaistanleveyden tiheyden tulevien datakeskusverkkojen laajentamiseen.

Jabil on erittäin hyvin asemoitu tukemaan asiakkaita, kun he ottavat käyttöön innovatiivisia teknologioita datakeskuksissaan vastatakseen tekoälyn aiheuttamiin kasvaviin vaatimuksiin energian ja jäähdytyksen suhteen.”

Matt Crowley, Jabilin senior VP cloud‑ ja yritysinfrastruktuurista

Tämä toi lisä‑IP:tä yrityksen fotoniikkiosastolle, joka on jo kaupallistamassa fotoniikkapohjaisia teknologioita:

• Kuituliitosratkaisut: aktiivinen kohdistus, passiivinen kohdistus, yksittäinen kuitu, kuitutaulukko.
• Kokoonpanoratkaisut: pick‑and‑place, die‑bond, wire‑bond, flip‑chip, reflow.
• Epoksin soveltaminen ja hallinta: valinta, karakterisointi, annostelu.
• Kapselointiratkaisut: kultalaatikko, pato‑ja‑täyttö, glob‑top.
• Vapaata tilaa optiikka: linssit/linssitaulukot, säteen muotoilijat, jakajat, diffuusorit, aallonjohtimet.

Jabililla on monipuolinen liiketoiminta, jossa on monimiljardisia tuloja autonvalmistajilta, terveydenhuollolta ja pakkausalan yrityksiltä, teollisuusyrityksiltä, 5G‑langattomalta sektorilta ym. Yhteensä 27,5 miljardia dollaria tuloja vuonna 2024.

Yritys voisi hyötyä merkittävästi paremmasta fotoniikkateknologiasta, ottaen huomioon sen jo olemassa oleva rooli splitterien, muotoilijoiden ym. valon taulukoiden tuotannossa.

Intel‑IP voisi myös auttaa siltaamaan kuilua piin ja perovskiittikiteiden emittoiman valon välillä.

Kun sirujen välinen liitäntä kasvaa AI‑sovellusten vuoksi, tämä voisi olla fotoniikan ensimmäinen suuri läpimurto, jossa on rooli (vielä) piipohjaisen laskennan ja fotoniikkapohjaisen optisen verkottamisen liittämisessä.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent on suuri teollisuuskonglomeraatti, jossa on yli 26 000 työntekijää, ja se on laseriteknologian johtaja, syntynyt edistyneiden materiaalien II‑VI Marlowin ja laserivalmistaja Coherentin fuusiosta.

Yritys on asiantuntija edistyneissä materiaaleissa, joita käytetään laseissa, optiikassa ja fotoniikassa, kuten indiumfosfidissa, epitaksiaalisissa wafereissa ja galliumarsenidissa.

Se kasvoi merkittävästi useiden yritysostojen ansiosta viimeisen vuosikymmenen aikana.

Lähde: Coherent

Yritys saa 29 % tuloistaan laserista, ja loput liittyvät siihen liittyviin laitteisiin, kuten optiseen kuituun, elektroniikkaan ja instrumentaatioon.

Lähde: Coherent

Yrityksen läsnäolo edistyneissä materiaaleissa, kuten termofotovoltaikassa (josta keskustelimme aiemmassa artikkelissa), piisilikatissa, laseissa ja elektroniikassa, auttaa sitä hyödyntämään rakenteellisia trendejä, kuten tarkkuustuotannon, lisäainevalmistuksen (3D‑tulostus), sähköistymisen ja uusiutuvien energioiden kasvua.

Yritys on äskettäin erottanut piisilikati‑liiketoimintansa uudeksi yksiköksi, jonka 75 % omistaa Coherent, ja loput omistavat tasaisesti sen kumppanit Mitsubishi Electric (tuoden piisilikati‑teho‑IP:t) ja Denso (tuoden sen toiminnan automaattitoimittajana sähköistymisessä ja teho‑puolijohteissa).