Kan perovskiter vara nyckeln till fotonisk databehandling?

Från solenergi till fotonik

Perovskiter är en ny typ av material som alltmer undersöks för sin potential inom solenergi. Halvledarkristaller kan vara ännu kraftfullare på att omvandla ljus till elektricitet än traditionella kiselbaserade solpaneler.

Source: iRocks

Detta är ett möjligt sätt att förbättra solcellstekniken, vilket vi diskuterade i “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.” Det verkar nu som att perovskiter potentiellt kan konkurrera med kisel inom ett annat område: databehandling.

Allt eftersom traditionella kiselprocessorer blir mindre och mindre, söker industrin efter sätt att utföra beräkningar på ett annat sätt. En sådan övervägd metod är fotonik, där ljus istället för elektricitet är bärare av data för att utföra beräkningarna. På så sätt kan beräkningarna göras med ljusets hastighet, vilket minskar behovet av lika många transistorer som i traditionell elektronisk beräkning.

För att göra detta föreslås en metod för att bygga fotoniska beräkningssystem som inkluderar laserbaserad nanoskalig manipulation av kisel och bättre ljus‑till‑ljud‑omvandlingssystem.

Den största delen av fotonisk teknik har initialt fokuserat på kiselbaserade lösningar, eftersom detta med hela tiden är det material som chip‑tillverkningsindustrin förstår bäst.

Det skulle ändå vara logiskt att perovskiter, ett material känt för sin förmåga att hantera både ljus och elektricitet samtidigt, skulle utgöra en utmärkt grund för fotonisk databehandling.

Formning av perovskitkristaller efter vilja

Detta var resonemanget som följdes av forskare vid Fysikavdelningen på Warszawas universitet i samarbete med andra institutioner i Polen, Italien, Island och Australien. För att bana väg för mer framsteg inom perovskit‑baserad fotonik skapade de ett sätt att “skära” perovskitkristaller exakt. De beskrev sin metod i en artikel med titeln “Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing”.

Materialet de använde är en typ av perovskit som kallas CsPbBr3 (cesium‑bly‑bromid). Det har stor potential för optiska tillämpningar, tack vare den låga energi som krävs för icke‑linjär ljusamplifiering. Detta innebär att materialet kan förstärka och modulera ljus med mycket låg energiförbrukning, en av de viktigaste fördelarna med fotonik jämfört med elektronik.

Deras metod lyckades skapa CsPbBr3‑kristaller i vilken form som helst, från enkla hörn till mjuka kurvor. Något som normalt är mycket svårt att uppnå inom kristallografi.

Dessutom kan dessa kristaller produceras på vilken substrat som helst, vilket gör dem kompatibla med befintliga fotoniska enheter. Så, även om de är innovativa, kräver de inte utvecklingen av ett helt nytt fält av fotonisk teknik för att bli användbara.

Hur de gjorde det

Många av de metoder som forskarna använde för att odla perovskitkristaller är avledningar av metoder som är kända inom halvledarindustrin. Till exempel använder de strikt kontrollerade lösningskoncentrationer och tillväxttemperaturer samtidigt som de upprätthåller en atmosfär av mättade lösningsmedelsångor.

De använde sedan nästan atomiskt släta galliumarsenid‑mallar tillverkade med elektronstråle‑litografi och plasma‑etsning. Galliumarsenid är ett välkänt material, särskilt använt i LED‑ljusproduktion.

Genom ett mikrofluidiskt tillvägagångssätt lyckades de odla kristallen i smala polymerformar som kan avtryckas i vilken form som helst från en mall.

Vad kan fotoniska perovskiter göra?

Strömstyrning över ljus

Kristallerna demonstrerade också starka icke‑linjära optiska effekter. Icke‑linjär optik låter oss förändra färg och form på en ljusstråle i rymd och tid samt skapa de kortaste händelserna som någonsin gjorts av människor—alla fenomen som är mycket användbara för fotonisk beräkning.

Kvant‑effekter

Ljuset som emitteras av perovskitkristallen produceras av ett mycket speciellt tillstånd av materia som kallas en Bose‑Einstein‑kondensat.

Source: UCSB Physics Department

Detta femte tillstånd av materia (förutom fast, gas, vätska och plasma) är där många atomer kan agera som en våg istället för vanlig materia. På så sätt får flera atomer att bete sig som vanligtvis bara subatomära partiklar kan, vilket gör kvanteffekter synliga på nästan makroskopisk skala.

Detta tillstånd i perovskitkristallerna skapade en excitons‑polariton‑kondensat, en specifik undertyp av Bose‑Einstein‑kondensat.

De observerade icke‑linjära effekterna är sannolikt kopplade till interaktioner inom kondensatet.

Thanks to the unique properties of perovskite structures, the condensate can travel long distances within the crystals, and the emitted light can propagate through air gaps to neighboring structures.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Att kunna skapa och manipulera dessa Bose‑Einstein‑kondensat efter vilja ger forskare möjlighet att emittera och sprida ljus på ett mycket precist sätt.

Detta kommer att vara mycket användbart för att utveckla pålitliga och högpresterande fotoniska chip.

Simulationer för bättre förutsägelse

Forskningsartikeln förklarar också hur de, tack vare komplexa beräkningar, kunde skapa en simulering av komplexa 3D‑strukturer med olika former och deras påverkan på fotoniska lägen samt visa hur deras bild bildas.

“The discovery allows for their use in compact “on-chip” systems that can handle both classical and quantum computing tasks.

We predict that our discoveries will open the door to future devices that can operate at the level of single photons, integrating nanolasers with waveguides and other elements on a single chip.”

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

Framtida arbete kommer alltså kunna förutsäga optiska effekter som är användbara för fotonik och datatransmission utan elektriska signaler.

Framtida tillämpningar

Fotonisk‑kvantdator

En viktig fördel med att använda dessa upptäckter på perovskiter är att kristallerna kan användas vid rumstemperatur.

Detta är mycket viktigt, eftersom effekterna från Bose‑Einstein‑kondensat normalt bara är observerbara vid temperaturer knappt över den absoluta nollpunkten. Vilket uppenbarligen gör dem mycket mindre praktiska och användbara för “normala” beräkningar.

Detta kan också sudda ut gränsen mellan kvantdatorer och fotonik, med eventuellt framtida datorsystem som använder båda samtidigt.

Det inkluderar mycket avancerade koncept som icke‑linjär fotonik som vågledare, kopplare, splitters och modulatorer.

Silicon‑Perovskite‑beräkning

En annan egenskap hos dessa nya finjusterade perovskitkristaller är deras kompatibilitet med kisel‑ och galliumarsenid‑substrat. Så de kan enkelt kombineras med befintliga kisel‑ och andra halvledarteknologier.

Detta kan kraftigt minska gapet mellan den nuvarande beräkningstekniken och antagandet av fotonik, där fotonik först utvecklas och antas för begränsade tillämpningar, istället för att behöva en helt ny typ av parallell teknologisk uppsättning först.

Investera i perovskit & fotonik

Tack vare befintliga tillämpningar inom solenergi och beräkning kan perovskiter och fotonik redan investeras i, även om de befinner sig i framkanten av materialvetenskap och beräkningsinnovation.

Du kan investera i fotoniska företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, och Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika fotoniska företag, kan du också titta på ETF:er som Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY) som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på fotonikindustrin.

Du kan också läsa vår artikel om “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies”.

Fotoniska företag

1. JABIL

I slutet av 2023 beslutade Intel (INTC ) att avyttra sin fotoniska verksamhet till halvledartillverkaren Jabil (JBL).

Mer exakt, de förvärvade Intels kisel‑fotonik‑transceiver‑teknik, som kan överbrygga klyftan mellan optiska signaler och elektriska signaler på kisel.

Source: TrendForce

“Intels moduler används för att ansluta Ethernet‑switchar i stora datacenter, men i takt med att efterfrågan på bandbredd ökar förväntar sig företaget att kisel‑fotonik sammansatt med switch‑ASIC:er ska leverera den bandbredddensitet som krävs för att skala framtida datacenter‑nätverk.

Jabil är extremt väl positionerat för att stödja kunder när de införlivar innovativa teknologier i sina datacenter för att hantera de ökande kraven på kraft och kylning som drivs av artificiell intelligens.”

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

Detta tillförde extra IP till företagets fotoniska avdelning, som redan kommersialiserar fotoniska teknologier:

• Fiberanslutningslösningar: aktiv inriktning, passiv inriktning, enkel fiber, fiberarray.
• Monteringslösningar: pick‑and‑place, die‑bond, wire‑bond, flip‑chip, reflow.
• Eposapplikation och hantering: urval, karakterisering, dispensering.
• Inkapslingslösningar: guldbox, dam‑and‑fill, glob‑top.
• Fritt‑rums‑optik: linser/linsearrayer, stråleformerare, splitters, diffusers, vågledare.

Jabil har en diversifierad verksamhet, med miljardintäkter från biltillverkare, sjukvård & förpackning, industriella företag, 5G‑trådlös, etc. Totalt 27,5  miljarder dollar i intäkter år 2024.

Företaget kan dra stor nytta av bättre fotonisk teknik, med tanke på dess befintliga roll i produktion av splitters, shapers, etc. för ljusarrayer.

Intels IP kan också hjälpa till att överbrygga klyftan mellan kisel och ljus som emitteras av perovskitkristaller.

Eftersom efterfrågan på chip‑interkonnektion växer för AI‑applikationer, kan detta bli fotonikens första stora genombrott, med en roll i att gränssnitta (fortfarande) kisel‑baserad beräkning med fotonik‑baserad optisk nätverk.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent är ett stort industriellt konglomerat med över 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik, resultatet av sammanslagningen av det avancerade materialföretaget II‑VI Marlow med lasertillverkaren Coherent.

Företaget är expert på avancerade material som används i lasrar, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxiala wafer och galliumarsenid.

Det har vuxit kraftigt tack vare flera förvärv under det senaste decenniet.

Source: Coherent

Företaget genererar 29 % av sina intäkter från laser, med resten kopplat till tillhörande utrustning som optisk fiber, elektronik och instrumentering.

Source: Coherent

Företagets närvaro inom avancerade material som termofotovoltaik (vilket vi diskuterade i en tidigare artikel), kiselkarbid, lasrar och elektronik hjälper det att dra nytta av strukturella trender som tillväxten av precisions‑tillverkning, additiv tillverkning (3D‑utskrift), elektrifiering och förnybar energi.

Företaget har nyligen separerat sin kiselkarbid‑verksamhet till en ny enhet, ägd till 75 % av Coherent, med resten ägd lika av sina partners Mitsubishi Electric (som bidrar med kiselkarbid‑kraft‑IP) och Denso (som bidrar med sin verksamhet som en biltillverkare inom elektrifiering och kraft‑halvledare).