Kan perovskiter vara nyckeln till fotonisk databehandling?

Från solenergi till fotonik

Perovskiter är en familj av material med en viss kristallstruktur, inte en helt nyupptäckt materialtyp. Vissa halvledande perovskiter studeras för solceller och optiska komponenter. Deras egenskaper varierar med sammansättning och konstruktion.

Källa: iRocks

Detta är ett möjligt sätt att förbättra solcellstekniken, vilket vi diskuterade i “Solenergiåldern – en ljus framtid för mänskligheten.” 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 används för att överföra och bearbeta information. Optiska komponenter kan ha fördelar i vissa uppgifter, men att signalen är ljus innebär inte att hela beräkningen sker med ljusets hastighet eller att elektronik blir överflödig.

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.

Kisel är en viktig plattform inom integrerad fotonik, eftersom tillverkningstekniken är välutvecklad. Andra material kan komplettera kisel för exempelvis ljusemission och optiska olinjäriteter.

Halvledande perovskiters växelverkan med ljus gör dem intressanta för fotonik. Det innebär inte att de generellt ersätter kiselprocessorer.

Perovskitkristaller med förutbestämd form

Forskare vid Warszawas universitet och samarbetspartner i flera länder utvecklade en metod för att odla kristaller i förutbestämda former. Metoden innebär formstyrd kristalltillväxt, inte att färdiga kristaller skärs till. Resultaten publicerades i Nature Materials 2024 under titeln ”Förutformade perovskitvågledare för exciton-polaritonkondensation och kantlaseremission vid rumstemperatur”.

Materialet var CsPbBr3, cesiumblybromid. Det har stark växelverkan mellan ljus och elektroniska excitationer, vilket kan sänka tröskeln för vissa optiska effekter. Det bevisar inte att en komplett dator får mycket låg energiförbrukning.

Metoden gav kristaller med förutbestämda hörn, kurvor och kopplade strukturer. Sådan formkontroll är användbar för att styra ljusets utbredning.

Forskarna beskriver möjligheten att tillverka strukturerna på olika underlag. Kompatibilitet med underlag är dock inte samma sak som färdig integration i befintliga kommersiella kretsar.

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?

Kontroll över ljus

Icke-linjära optiska effekter innebär att materialets respons beror på ljusets intensitet. De kan utnyttjas för att styra signaler och är därför intressanta för optiska komponenter. Här studerades bland annat laseremission från kristallernas kanter.

Kvantmekaniska effekter

En viktig del av resultatet var bildandet av ett exciton-polaritonkondensat.

Källa: Fysikinstitutionen vid University of California, Santa Barbara

Ett vanligt atomärt Bose–Einstein-kondensat uppstår när många bosoner delar ett kvanttillstånd. I denna studie rör det sig i stället om exciton-polaritoner: kvasipartiklar som kombinerar ljus med elektroniska excitationer i materialet.

I perovskitstrukturerna bildades ett exciton-polaritonkondensat, med andra egenskaper och driftsvillkor än ett ultrakallt atomärt kondensat.

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

”Perovskitstrukturernas egenskaper gör att kondensatet kan fortplanta sig genom kristallerna och att ljus kan kopplas till närliggande strukturer över luftgap.”

Dr. Helgi Sigurðsson – Fysikfakulteten vid Warszawas universitet

Kontroll över kristallernas form och optiska excitation kan ge nya sätt att styra ljusemission och koppling mellan komponenter.

Detta kan vara användbart i framtida integrerad fotonik. Studien demonstrerade inte en färdig klassisk dator eller kvantdator.

Simulationer för bättre förutsägelse

Forskarna använde även beräkningar för att undersöka optiska moder och ljusemission i strukturer med olika tredimensionella former.

”Resultaten öppnar för kompakta system på chip som i framtiden kan vara relevanta för klassisk eller kvantbaserad signalbehandling.

Vi förutser att våra upptäckter kommer att bana väg för framtida enheter som kan arbeta på enskilda fotoners nivå och integrera nanolasrar med vågledare och andra komponenter på ett enda chip.”

Prof. Michał Matuszewski – Polska vetenskapsakademins centrum för teoretisk fysik

Modellerna kan hjälpa till att utforma nya optiska komponenter. De visar inte att all elektrisk signalbehandling kan tas bort.

Framtida tillämpningar

Möjligheter för fotonisk och kvantbaserad signalbehandling

Polaritonkondensationen och laseremissionen i de undersökta strukturerna kunde ske vid rumstemperatur.

Detta skiljer sig från många experiment med ultrakalla atomära Bose–Einstein-kondensat. Olika typer av kondensat har olika temperaturkrav, så rumstemperaturresultatet innebär inte att alla kvantkomponenter kan användas utan kylning.

Teknik för kvantdatorer och fotoniska komponenter kan i framtiden kombineras. Denna studie visade dock inte en komplett sådan dator.

Möjliga komponenter omfattar vågledare, kopplare, ljusdelare och modulatorer. Alla sådana komponenter är inte i sig icke-linjära eller kvantdatorer.

Integration med kisel och andra halvledare

Tillverkning på kisel- eller galliumarsenidunderlag kan underlätta vidare utveckling. Stabilitet, inkapsling, tillverkning och koppling till andra komponenter måste ändå lösas.

En möjlig utvecklingsväg är att optiska komponenter först används för avgränsade uppgifter tillsammans med elektronik. Det är en möjlig strategi, inte en redan genomförd övergång.

Investera i perovskit & fotonik

Det finns börsbolag inom optik och fotonik, men det innebär inte direkt exponering mot den specifika perovskitforskningen. Teknikrisk, kommersialisering och bolagens faktiska intäktskällor behöver bedömas separat.

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.

Artikeln nämner också tematiska fonder som Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY). CLOU fokuserar på molntjänster, QTUM på kvant- och maskininlärningsteknik och TINY på nanoteknik. De är inte renodlade perovskit- eller fotonikfonder, och aktuell tillgänglighet och innehav måste kontrolleras.

Du kan också läsa vår artikel om “Tio företag inom datorteknik bortom kisel”.

Fotoniska företag

1. JABIL

I oktober 2023 meddelade Intel (INTC ) ett avtal med Jabil om verksamheten för plugg­bara optiska transceivrar baserade på kiselfotonik. Det omfattade inte automatiskt all Intels fotonikforskning.

Jabil tog över tillverkning och försäljning av denna produktlinje. Optiska transceivrar omvandlar mellan elektriska och optiska signaler för bland annat datacenternätverk.

Källa: 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, ansvarig för moln- och företagsinfrastruktur på Jabil

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.
• Applicering och hantering av epoxilim: materialval, karakterisering och dosering.
• Inkapslingslösningar: guldbox, dam‑and‑fill, glob‑top.
• Frirumsoptik: linser och linsarrayer, strålformare, ljusdelare, diffusorer och vågledare.

Jabil har verksamhet inom bland annat fordon, hälsovård, industri, förpackningar och kommunikation. Omsättningen på cirka 27,5 miljarder dollar avser räkenskapsåret 2024 och är hela företagets omsättning, inte enbart fotonik.

Jabils befintliga fotonikverksamhet kan vara relevant för nya optiska komponenter. Det finns dock inget belägg här för att bolaget använder den undersökta perovskitmetoden.

Kompetens inom optiska transceivrar kan stödja integration av elektronik och optik, men visar inte att Jabil har ett samarbete med forskargruppen.

Efterfrågan på datacenteranslutningar är ett möjligt tillväxtområde för kiselfotonik. Optisk kommunikation är redan etablerad, så detta bör inte beskrivas som fotonikens första genombrott.

2. Coherent Corp.

Coherent bildades i sin nuvarande struktur när II-VI förvärvade Coherent 2022 och bytte namn. II-VI Marlow är en verksamhet inom gruppen, inte namnet på det bolag som ensamt fusionerades med Coherent. Uppgiften om över 26 000 anställda är historisk.

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.

Källa: Coherent

Den angivna andelen 29% från laser var en historisk uppdelning. Övriga verksamheter omfattar bland annat optiska och elektroniska komponenter; intäktsmixen kan ändras.

Källa: 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.

I den transaktion som meddelades 2023 och slutfördes samma år behöll Coherent 75% av kiselkarbidverksamheten. Denso och Mitsubishi Electric investerade vardera 500 miljoner dollar för 12,5% var. Denso är en fordonskomponentleverantör, inte en biltillverkare. Ägarandelarna beskriver den perioden och ska inte antas vara oförändrade för all framtid.