Kan perovskitter være nøkkelen til fotonisk databehandling?

Fra sol til fotonikk

Perovskitter er en ny type materiale som i økende grad undersøkes for sitt potensial innen solenergi. Halvlederkrystaller kan være enda kraftigere til å omdanne lys til elektrisitet enn tradisjonelle silisiumbaserte solcellepaneler.

Kilde: iRocks

Dette er én mulig måte å forbedre solcellepanelteknologi på, som vi diskuterte i «The Solar Age—A Bright Future To Mankind». Det ser nå ut til at perovskitter potensielt kan konkurrere med silisium på et annet område: databehandling.

Ettersom tradisjonelle silisiumprosessorer blir stadig mindre, ser industrien etter måter å utføre beregninger på annerledes. En slik betraktet metode er fotonikk, hvor lys i stedet for elektrisitet er bæreren av data for å utføre beregningen. På denne måten kan beregningen gjøres med lysets hastighet, og behovet for så mange transistorer som i tradisjonell elektronisk beregning reduseres.

For å oppnå dette inkluderer den foreslåtte metoden for å bygge fotoniske databehandlingssystemer laserbasert nanoskalamanipulering av silisium og bedre lys‑til‑lyd‑omformingssystemer.

Mest fotonisk teknologi har i utgangspunktet vært fokusert på silisiumbaserte løsninger, siden dette er langt det materialet som er best forstått av chip‑produksjonsindustrien.

Likevel gir det mening at perovskitter, et materiale kjent for sin evne til å håndtere både lys og elektrisitet samtidig, vil utgjøre et utmerket grunnlag for fotonisk databehandling.

Forme perovskittkrystaller etter vilje

Dette var resonneringen som ble fulgt av forskere ved Fakultetet for fysikk ved Universitetet i Warszawa i samarbeid med andre institusjoner fra Polen, Italia, Island og Australia. For å bane vei for mer fremgang innen perovskittbasert fotonikk, utviklet de en metode for å «kutte» perovskittkrystaller presist. De beskrev metoden sin i en artikkel med tittelen «Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing».

Materialet de brukte er en type perovskitt kalt CsPbBr3 (cesium‑bly‑bromid). Det har stort potensial for optiske anvendelser, takket være den lave energien som kreves for ikke‑lineær lysforsterkning. Dette betyr at dette materialet kan forsterke og modulere lys med svært lite energiforbruk, en av de viktigste fordelene fotonikk har over elektronikk.

Metoden deres klarte å forme CsPbBr3‑krystaller til enhver form, fra enkle hjørner til glatte kurver. Noe som vanligvis er svært vanskelig å oppnå i krystallografi.

I tillegg kan disse krystallene produseres på hvilken som helst substrat, noe som gjør dem kompatible med eksisterende fotoniske enheter. Så, selv om de er innovative, krever de ikke utviklingen av et helt nytt felt innen fotonisk teknologi for å bli nyttige.

Hvordan de gjorde det

Mange av metodene forskerne brukte for å dyrke perovskittkrystallene er avledet fra metoder kjent i halvlederindustrien. For eksempel bruker de strengt kontrollerte løsningskonsentrasjoner og veksttemperaturer samtidig som de opprettholder et miljø av mettet løsningsdamp.

Deretter brukte de nesten atomisk glatte galliumarsenidmaler laget med elektronstråle-litografi og plasmaetsing. Galliumarsenid er et velkjent materiale, spesielt brukt i LED‑lyproduksjon.

Ved å bruke en mikrofluidisk tilnærming klarte de å dyrke krystallen i smale polymerformer som kan preges med hvilken som helst form fra en mal.

Hva kan fotoniske perovskitter gjøre?

Strømstyring over lys

Krystallene viste også sterke ikke‑lineære optiske effekter. Ikke‑lineær optikk gjør det mulig å endre farge og form på en lysstråle i rom og tid, og skape de korteste hendelsene som noen gang er laget av mennesker – alle fenomener som er svært nyttige for fotonisk beregning.

Kvantetilstander

Lyset som emitteres av perovskittkrystallen produseres av en svært spesiell tilstand av materie kalt en Bose‑Einstein‑kondensat.

Kilde: UCSB Physics Department

Dette er den femte tilstanden av materie (ved siden av fast, gass, væske og plasma) hvor mange atomer kan oppføre seg som en bølge i stedet for vanlig materie. På den måten får flere atomer å oppføre seg som vanligvis kun sub‑atomære partikler kan, noe som gjør kvanteeffekter synlige på nesten makroskopisk skala.

Denne tilstanden av perovskittkrystallene skapte en ekskiton‑polariton‑kondensat, en spesifikk undertype av Bose‑Einstein‑kondensat.

Dermed er de observerte ikke‑lineære effektene sannsynligvis knyttet til interaksjoner innen kondensaten.

«Takket være de unike egenskapene til perovskittstrukturer, kan kondensaten bevege seg over lange avstander innen krystallene, og det emitterte lyset kan propagere gjennom luftgap til nabostrukturer.»

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Å kunne skape og manipulere disse Bose‑Einstein‑kondensatene etter vilje gir forskere muligheten til å emittere og spre lys på en svært presis måte.

Dette vil være svært nyttig for utvikling av pålitelige og høyytelses fotoniske brikker.

Simuleringer for bedre prediksjon

Forskningsartikkelen forklarer også hvordan de, takket være komplekse beregninger, klarte å lage en simulering av komplekse 3D‑former og deres påvirkning på fotoniske moduser, samt vise hvordan deres bilde dannes.

«Oppdagelsen gjør det mulig å bruke dem i kompakte «on‑chip»-systemer som kan håndtere både klassiske og kvanteberegningsoppgaver.

Vi forutsier at våre oppdagelser vil åpne døren til fremtidige enheter som kan operere på nivå med enkelt‑fotoner, ved å integrere nanolasere med bølgeledere og andre elementer på en enkelt brikke.

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

Fremtidige anvendelser

Fotonisk‑kvantedatamaskin

En viktig fordel med å bruke disse oppdagelsene på perovskitter er at disse krystallene kan brukes ved romtemperatur.

Dette er svært viktig, siden effektene fra Bose‑Einstein‑kondensater vanligvis kun er observerbare ved temperaturer knapt over det absolutte nullpunkt. Dette gjør dem åpenbart mye mindre praktiske og nyttige for vanlig databehandling.

Dette kan også viske ut grensen mellom kvantedatabehandling og fotonikk, med mulige fremtidige datasystemer som bruker begge samtidig.

Dette inkluderer svært avanserte konsepter som ikke‑lineær fotonikk som bølgeledere, koblere, splittere og modulatorer.

Silisium‑perovskitt‑databehandling

En annen egenskap ved disse nyjusterte perovskittkrystallene er deres kompatibilitet med silisium‑ og galliumarsenid‑substrater. Dermed kan de enkelt kombineres med eksisterende silisium‑ og andre material‑halvlederteknologier.

Dette kan i stor grad redusere gapet mellom dagens datateknologi og adopsjonen av fotonikk, med fotonikk som først blir utviklet og tatt i bruk for begrensede anvendelser, i stedet for å måtte utvikle en helt ny type parallell teknologisk plattform først.

Investering i perovskitt og fotonikk

Takket være eksisterende anvendelser innen solenergi og databehandling, kan perovskitter og fotonikk allerede investeres i, selv om de befinner seg i spissen av materialvitenskap og datainnovasjon.

Du kan investere i fotonikk‑selskaper gjennom mange meglere, og du kan her, på securities.io, finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia og Storbritannia, så vel som i mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke fotonikk‑selskaper, kan du også se på ETF‑er som Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY) som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av fotonikk‑industrien.

Du kan også lese vår artikkel om «Top 10 Non‑Silicon Computing Companies».

Fotonikk‑selskaper

1. JABIL

På slutten av 2023 bestemte Intel (INTC ) seg for å selge sin fotonikkvirksomhet til halvlederprodusenten Jabil (JBL).

Mer presist, overtok den Intels silisium‑fotonikk‑transceiver‑teknologi, som kan bygge bro mellom optiske signaler og elektroniske signaler på silisium.

Kilde: TrendForce

«Intels moduler brukes til å koble Ethernet‑svitsjer i store datasentre, men etter hvert som etterspørselen etter båndbredde øker, forventer selskapet at silisium‑fotonikk som er co‑pakket med switch‑ASIC‑er vil levere den båndbredde‑tettheten som er nødvendig for å skalere fremtidige datasenter‑nettverk.

Jabil er ekstremt godt posisjonert til å støtte kunder når de integrerer innovative teknologier i sine datasentre for å håndtere de økende kravene til strøm og kjøling som drives av kunstig intelligens.

»

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

Dette ga ekstra IP til selskapets fotoniske avdeling, som allerede kommersialiserer fotonikkbaserte teknologier:

• Fiber‑tilkoblingsløsninger: aktiv justering, passiv justering, enkelt fiber, fiber‑array.
• Monteringsløsninger: pick‑and‑place, die‑bond, wire‑bond, flip‑chip, reflow.
• Epoxy‑applikasjon og -styring: valg, karakterisering, dispensasjon.
• Innkapslingsløsninger: gullboks, dam‑and‑fill, glob‑top.
• Fri‑rom‑optikk: linser/lens‑arrayer, stråleformer, splittere, diffusorer, bølgeledere.

Jabil har en diversifisert virksomhet, med milliarder i inntekter fra bilprodusenter, helse‑ og emballasjesektoren, industribedrifter, 5G‑trådløs, osv. Totalt $27,5 milliarder i inntekter i 2024.

Selskapet kan ha stor nytte av bedre fotonisk teknologi, gitt sin allerede eksisterende rolle i produksjon av splittere, former osv. for lys‑arrayer.

Intels IP kan også bidra til å bygge bro mellom silisium og lys som emitteres av perovskittkrystaller.

Ettersom etterspørselen etter chip‑interkonnektivitet vokser for AI‑applikasjoner, kan dette bli fotonikkens første store gjennombrudd, med en rolle i å grensesnitt (fortsatt) silisium‑basert databehandling med fotonikk‑basert optisk nettverk.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26 000 ansatte og en leder innen laserteknologi, som resultat av sammenslåingen av avanserte materialer II‑VI Marlow med lasergeneratoren Coherent.

Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i lasere, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksialskiver og galliumarsenid.

Det vokste i stor grad takket være flere oppkjøp i løpet av det siste tiåret.

Kilde: Coherent

Selskapet får 29 % av inntektene sine fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende utstyr som optisk fiber, elektronikk og instrumentering.

Kilde: Coherent

Selskapets tilstedeværelse innen avanserte materialer som termofotovoltaikk (som vi diskuterte i en tidligere artikkel), silisiumkarbid, lasere og elektronikk hjelper det å dra nytte av strukturelle trender som vekst i presisjonsproduksjon, additiv produksjon (3D‑printing), elektrifisering og fornybar energi.

Selskapet har nylig skilt ut sin silisiumkarbidvirksomhet i en ny enhet, som eies 75 % av Coherent, mens resten eies likt av partnerne Mitsubishi Electric (som bidrar med silisiumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (som bidrar med sin aktivitet som billeverandør innen elektrifisering og kraft‑halvledere).