Apakah Perovskit Bisa Menjadi Kunci Komputasi Fotonik?

Dari Surya ke Fotonik

Perovskit adalah jenis material baru yang semakin banyak diteliti karena potensinya dalam energi surya. Kristal semikonduktor dapat menjadi lebih kuat dalam mengubah cahaya menjadi listrik dibandingkan panel surya berbasis silikon tradisional.

Sumber: iRocks

Ini adalah salah satu cara yang mungkin untuk meningkatkan teknologi panel surya, yang kami bahas dalam “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.” Sekarang tampaknya perovskit dapat bersaing dengan silikon di bidang lain: komputasi.

Seiring prosesor silikon tradisional menjadi semakin kecil, industri mencari cara untuk melakukan komputasi secara berbeda. Salah satu metode yang dipertimbangkan adalah fotonik, di mana cahaya alih-alih listrik menjadi pembawa data untuk melakukan komputasi. Dengan cara ini, perhitungan dapat dilakukan pada kecepatan cahaya, mengurangi kebutuhan transistor sebanyak pada perhitungan elektronik tradisional.

Untuk melakukannya, metode yang diusulkan untuk membangun sistem komputasi fotonik mencakup manipulasi nanoskal berbasis laser pada silikon dan sistem konversi cahaya-ke-suara yang lebih baik.

Sebagian besar teknologi fotonik pada awalnya difokuskan pada solusi berbasis silikon, karena ini jauh merupakan material yang paling dipahami oleh industri pembuatan chip.

Namun, masuk akal bahwa perovskit, material yang dikenal karena kemampuannya menangani cahaya dan listrik secara bersamaan, dapat menjadi dasar yang bagus untuk komputasi fotonik.

Membentuk Kristal Perovskit Sesuka Hati

Itulah alasan yang diikuti oleh peneliti di Fakultas Fisika Universitas Warsaw bekerja sama dengan institusi lain dari Polandia, Italia, Islandia, dan Australia. Untuk membuka jalan bagi kemajuan lebih lanjut pada fotonik berbasis perovskit, mereka menciptakan cara untuk “memotong” kristal perovskit secara presisi. Mereka merinci metode mereka dalam artikel berjudul “Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing”.

Material yang mereka gunakan adalah jenis perovskit yang disebut CsPbBr3 (cesium-lead-bromide). Material ini memiliki potensi besar untuk aplikasi optik, berkat energi rendah yang diperlukan untuk amplifikasi cahaya nonlinier. Ini berarti material ini dapat memperkuat dan memodulasi cahaya dengan sangat sedikit konsumsi energi, salah satu keunggulan utama fotonik dibandingkan elektronik.

Metode mereka berhasil membuat kristal CsPbBr3 menjadi bentuk apa pun, mulai dari sudut sederhana hingga kurva halus. Hal ini biasanya sangat sulit dicapai dalam kristalografi.

Selain itu, kristal ini dapat diproduksi pada substrat apa pun, menjadikannya kompatibel dengan perangkat fotonik yang sudah ada. Jadi, meskipun inovatif, mereka tidak memerlukan pengembangan bidang teknologi fotonik yang sepenuhnya baru untuk menjadi berguna.

Bagaimana Mereka Melakukannya

Banyak metode yang digunakan peneliti untuk menumbuhkan kristal perovskit merupakan turunan dari metode yang dikenal dalam industri semikonduktor. Misalnya, mereka menggunakan konsentrasi larutan dan suhu pertumbuhan yang dikontrol ketat sambil mempertahankan atmosfer uap pelarut jenuh.

Kemudian mereka menggunakan templat gallium arsenide yang hampir atomik halus yang dibuat menggunakan litografi berkas elektron dan etsa plasma. Gallium arsenide adalah material yang terkenal, terutama digunakan dalam produksi lampu LED.

Dengan pendekatan mikrofluida, mereka berhasil menumbuhkan kristal dalam cetakan polimer sempit yang dapat dicetak dengan bentuk apa pun dari sebuah templat.

Apa yang Dapat Dilakukan Perovskit Fotonik?

Kontrol Daya atas Cahaya

Kristal juga menunjukkan efek optik nonlinier yang kuat. Optik nonlinier memungkinkan kita mengubah warna dan bentuk berkas cahaya dalam ruang dan waktu serta menciptakan peristiwa terpendek yang pernah dibuat manusia—semua fenomena yang sangat berguna untuk komputasi fotonik.

Efek Kuantum

Cahaya yang dipancarkan oleh kristal perovskit dihasilkan oleh keadaan materi yang sangat khusus yang disebut kondensat Bose-Einstein.

Sumber: UCSB Physics Department

Ini adalah keadaan materi ke-5 (di luar padat, gas, cair, dan plasma) di mana banyak atom dapat berperilaku seperti gelombang alih-alih materi biasa. Dalam hal ini, beberapa atom berperilaku seperti partikel sub-atomik, sehingga efek kuantum menjadi terlihat pada skala hampir makroskopik.

Keadaan kristal perovskit ini menghasilkan kondensat eksiton–polariton, subtipe khusus dari kondensat Bose-Einstein.

Jadi, efek nonlinier yang diamati kemungkinan terkait dengan interaksi di dalam kondensat.

Berkat sifat unik struktur perovskit, kondensat dapat menempuh jarak jauh di dalam kristal, dan cahaya yang dipancarkan dapat merambat melalui celah udara ke struktur tetangga.

Dr. Helgi Sigurðsson – Fakultas Fisika Universitas Warsaw

Kemampuan untuk menciptakan dan memanipulasi kondensat Bose-Einstein ini sesuka hati memberi ilmuwan kemungkinan untuk memancarkan dan menyebarkan cahaya dengan cara yang sangat presisi.

Hal ini akan sangat berguna untuk mengembangkan chip fotonik yang handal dan berperforma tinggi.

Simulasi untuk Prediksi Lebih Baik

Makalah penelitian juga menjelaskan bagaimana, berkat perhitungan kompleks, mereka dapat membuat simulasi struktur 3D berbentuk kompleks, serta dampaknya pada mode fotonik dan menunjukkan bagaimana gambar mereka terbentuk.

“Penemuan ini memungkinkan penggunaannya dalam sistem “on-chip” yang kompak yang dapat menangani tugas komputasi klasik maupun kuantum.

Kami memprediksi bahwa penemuan kami akan membuka pintu bagi perangkat masa depan yang dapat beroperasi pada tingkat foton tunggal, mengintegrasikan nanolasers dengan gelombang pandu dan elemen lain pada satu chip.”

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

Aplikasi Masa Depan

Komputer Fotonik-Kuantum

Salah satu keunggulan utama menggunakan penemuan ini pada perovskit adalah kristal ini dapat digunakan pada suhu ruang.

Hal ini sangat penting, karena biasanya efek dari kondensat Bose-Einstein hanya dapat diamati pada suhu yang hampir mendekati nol mutlak. Yang jelas membuatnya jauh kurang praktis dan berguna untuk komputasi “normal”.

Ini juga dapat mengaburkan batas antara komputasi kuantum dan fotonik, dengan kemungkinan sistem komputer masa depan menggunakan keduanya secara bersamaan.

Ini mencakup konsep sangat maju seperti fotonik nonlinier sebagai gelombang pandu, kopler, pembagi, dan modulasi.

Komputasi Silikon-Perovskit

Kualitas lain dari kristal perovskit baru yang disetel halus ini adalah kompatibilitasnya dengan substrat silikon dan gallium-arsenide. Jadi mereka dapat dengan mudah digabungkan dengan teknologi semikonduktor silikon dan material lainnya yang sudah ada.

Hal ini dapat secara signifikan mengurangi kesenjangan antara teknologi komputasi saat ini dan adopsi fotonik, dengan fotonik pertama kali dikembangkan dan diadopsi untuk aplikasi terbatas, alih-alih memerlukan jenis set teknologi paralel yang sepenuhnya baru terlebih dahulu.

Berinvestasi dalam Perovskit & Fotonik

Berkat aplikasi yang sudah ada dalam bidang surya dan komputasi, perovskit dan fotonik sudah dapat diinvestasikan, meskipun mereka berada di ujung ilmu material dan inovasi komputasi.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan fotonik melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan di sini, di securities.io, rekomendasi kami untuk broker terbaik di AS, Kanada, Australia, dan Inggris, serta banyak negara lain.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan fotonik tertentu, Anda juga dapat mempertimbangkan ETF seperti Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), atau ProShares Nanotechnology ETF (TINY) yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan industri fotonik.

Anda juga dapat membaca artikel kami tentang “Top 10 Non-Silicon Computing Companies”.

Perusahaan Fotonik

1. JABIL

Pada akhir 2023, Intel (INTC ) memutuskan untuk menjual bisnis fotoniknya kepada produsen semikonduktor Jabil (JBL).

Lebih tepatnya, Intel mengakuisisi teknologi transceiver fotonik silikon Intel, yang dapat menjembatani kesenjangan antara sinyal optik dan sinyal elektronik pada silikon.

Sumber: TrendForce

“Modul Intel digunakan untuk menghubungkan saklar Ethernet di pusat data besar, namun seiring meningkatnya permintaan bandwidth, perusahaan memperkirakan fotonik silikon yang dikemas bersama ASIC saklar akan menyediakan kepadatan bandwidth yang diperlukan untuk memperluas jaringan pusat data masa depan.

Jabil berada dalam posisi yang sangat baik untuk mendukung pelanggan saat mereka mengintegrasikan teknologi inovatif ke dalam pusat data mereka untuk mengatasi peningkatan kebutuhan daya dan pendinginan yang didorong oleh kecerdasan buatan.”

Matt Crowley, Wakil Presiden Senior Jabil untuk infrastruktur cloud dan perusahaan

Hal ini menambah IP tambahan ke departemen fotonik perusahaan, yang sudah mengkomersialkan teknologi berbasis fotonik:

• Solusi pemasangan serat: penyelarasan aktif, penyelarasan pasif, serat tunggal, array serat.
• Solusi perakitan: pick-and-place, die bond, wire bond, flip chip, reflow.
• Aplikasi dan Manajemen Epoksi: seleksi, karakterisasi, dispensi.
• Solusi enkapsulasi: gold box, dam-and-fill, glob-top.
• Optik ruang bebas: lensa/array lensa, pembentuk berkas, pembagi, diffuser, gelombang pandu.

Jabil memiliki bisnis yang beragam, dengan pendapatan multi-miliar dari produsen otomotif, perawatan kesehatan & kemasan, perusahaan industri, nirkabel 5G, dll. Total pendapatan mencapai $27,5 miliar pada 2024.

Perusahaan dapat sangat diuntungkan dari teknologi fotonik yang lebih baik, mengingat peran sebelumnya dalam memproduksi pembagi, pembentuk, dll. untuk array cahaya.

IP Intel juga dapat membantu menjembatani kesenjangan antara silikon dan cahaya yang dipancarkan oleh kristal perovskit.

Seiring permintaan interkoneksi chip yang meningkat untuk aplikasi AI, ini dapat menjadi terobosan besar pertama fotonik, dengan peran dalam menghubungkan komputasi berbasis silikon (masih) dengan jaringan optik berbasis fotonik.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent adalah konglomerat industri besar dengan lebih dari 26.000 karyawan dan pemimpin dalam teknologi laser, hasil dari penggabungan material maju II-VI (COHR ) Marlow dengan pembuat laser Coherent.

Perusahaan ini ahli dalam material maju yang digunakan dalam laser, optik, dan fotonik, seperti indium fosfida, wafer epitaksial, dan gallium arsenide.

Pertumbuhannya sebagian besar berkat banyak akuisisi selama dekade terakhir.

Sumber: Coherent

Perusahaan memperoleh 29% pendapatannya dari laser, sisanya terkait dengan peralatan terkait seperti serat optik, elektronik, dan instrumentasi.

Sumber: Coherent

Kehadiran perusahaan dalam material maju seperti termofotovoltaik (yang kami bahas dalam artikel sebelumnya), silikon karbida, laser, dan elektronik membantu perusahaan memanfaatkan tren struktural seperti pertumbuhan manufaktur presisi, manufaktur aditif (pencetakan 3D), elektrifikasi, dan energi terbarukan.

Perusahaan baru-baru ini memisahkan bisnis silikon karbida menjadi entitas baru, dimiliki 75% oleh Coherent, dengan sisanya dimiliki secara merata oleh mitra-mitranya Mitsubishi Electric (yang membawa IP daya silikon karbida) dan Denso (yang membawa kegiatannya sebagai pemasok otomotif dalam elektrifikasi dan semikonduktor daya).