Maaari Bang Maging Susi ang Perovskite sa Photonic Computing?

Mula sa Solar Patungo sa Photonics

Ang mga perovskite ay isang bagong uri ng materyal na patuloy na iniimbestigahan para sa potensyal nito sa enerhiyang solar. Ang mga kristal na semiconductor ay maaaring mas makapangyarihan sa pag-convert ng liwanag tungo sa kuryente kaysa sa tradisyunal na mga solar panel na base sa silicon.

Pinagmulan: iRocks

Isa itong posibleng paraan upang mapabuti ang teknolohiya ng solar panel, na tinalakay namin sa “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.” Ngayon ay lumalabas na maaaring makipagkumpetensya ang perovskite sa silicon sa isa pang larangan: computing.

Habang patuloy na lumiliit ang mga tradisyonal na silicon processor, naghahanap ang industriya ng mga paraan upang magsagawa ng pagkalkula nang iba. Isang metodong kinokonsidera ay photonics, where light instead of electricity is the carrier of data for performing the computation. Sa ganitong paraan, maaaring gawin ang kalkulasyon sa bilis ng liwanag, na nagbabawas ng pangangailangan para sa napakaraming transistor kumpara sa tradisyonal na elektronikong kalkulasyon.

Upang magawa ito, ang iminungkahing paraan para bumuo ng mga photonic computing system ay kinabibilangan ng laser-based nanoscale manipulation of silicon at better light-to-sound conversion systems.

Karamihan sa teknolohiyang photonic ay unang nakatuon sa mga solusyong base sa silicon, dahil ito ang materyal na pinakamainam na nauunawaan ng industriya ng paggawa ng chip.

Gayunpaman, may katwiran na ang mga perovskite, isang materyal na kilala sa kakayahang sabay na hawakan ang liwanag at kuryente, ay magiging mahusay na batayan para sa photonic computing.

Paghubog ng mga Kristal ng Perovskite Ayon sa Nais

Ito ang lohika na sinunod ng mga mananaliksik sa Faculty of Physics ng University of Warsaw kasama ang iba pang institusyon mula Polonya, Italya, Iceland, at Australia. Upang magbukas ng daan para sa higit pang pag-unlad sa perovskite-based photonics, lumikha sila ng paraan upang “putulin” ang mga kristal ng perovskite nang eksakto. Inilahad nila ang kanilang metodo sa isang artikulo na pinamagatang “Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing“.

Ang materyal na kanilang ginamit ay isang uri ng perovskite na tinatawag na CsPbBr3 (cesium-lead-bromide). Mayroon itong malaking potensyal para sa mga optikal na aplikasyon, dahil sa mababang enerhiya na kinakailangan para sa nonlinear na pagpapalakas ng liwanag. Ibig sabihin, maaaring palakasin at i-modulate ng materyal na ito ang liwanag na may napakababang konsumo ng enerhiya, isa sa mga pangunahing bentahe ng photonics kumpara sa electronics.

Nagawang likhain ng kanilang metodo ang mga kristal ng CsPbBr3 sa anumang hugis mula sa simpleng mga sulok hanggang sa makinis na kurba. Isang bagay na karaniwang napakahirap makamit sa kristalograpiya.

Bukod dito, maaaring gawin ang mga kristal na ito sa anumang substrate, na ginagawang compatible ito sa mga umiiral nang photonic device. Kaya, bagaman makabago, hindi nila kailangan ang pagbuo ng ganap na bagong larangan ng teknolohiyang photonics upang maging kapaki-pakinabang.

Paano nila ito ginawa

Maraming pamamaraan na ginamit ng mga mananaliksik upang palakihin ang mga kristal ng perovskite ay hango sa mga metodong kilala sa industriya ng semiconductor. Halimbawa, gumagamit sila ng mahigpit na kontroladong konsentrasyon ng solusyon at temperatura ng paglago habang pinananatili ang kapaligiran ng saturated solvent vapors.

Pagkatapos, gumamit sila ng halos atomically smooth na mga template ng gallium arsenide na ginawa gamit ang electron-beam lithography at plasma etching. Ang gallium arsenide ay isang kilalang materyal, partikular na ginagamit sa paggawa ng LED na ilaw.

Sa pamamagitan ng microfluidic na pamamaraan, nagawang palakihin nila ang kristal sa makitid na polymer molds na maaaring i-imprinta ng anumang hugis mula sa isang template.

Ano ang Kayang Gawin ng Photonic Perovskites?

Pagkontrol ng Kapangyarihan sa Liwanag

Ipinakita rin ng mga kristal ang malakas na nonlinear optical effects. Ang nonlinear optics ay nagbibigay-daan sa atin na baguhin ang kulay at hugis ng isang sinag ng liwanag sa espasyo at oras at lumikha ng pinakamahabang mga pangyayari na nagawa ng tao—lahat ng mga penomena na napaka-kapaki-pakinabang para sa photonic computation.

Mga Quantum Effect

Ang liwanag na inisyal ng kristal ng perovskite ay nilikha ng isang napaka-espesyal na estado ng materya na tinatawag na Bose-Einstein condensate.

Pinagmulan: UCSB Physics Department

Ang ikalimang estado ng materya (bukod sa solid, gas, liquid, at plasma) ay kung saan maraming atom ay maaaring kumilos bilang alon sa halip na ordinaryong materya. Sa ganitong paraan, pinapayagan nito ang maraming atom na kumilos tulad ng karaniwang mga sub-atomic particle lamang, na nagiging sanhi ng pagkakakita ng mga quantum effect sa halos makroskopikong sukat.

Ang estadong ito ng mga kristal ng perovskite ay lumikha ng exciton–polariton condensate, isang tiyak na sub-type ng Bose-Einstein condensate.

Salamat sa natatanging katangian ng mga estruktura ng perovskite, ang condensate ay maaaring maglakbay ng malalayong distansya sa loob ng mga kristal, at ang inilabas na liwanag ay maaaring mag-propagate sa mga puwang ng hangin patungo sa kalapit na mga estruktura.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Ang kakayahang lumikha at manipulahin ayon sa kagustuhan ang mga Bose-Einstein condensate ay nagbibigay sa mga siyentipiko ng posibilidad na maglabas at magkalat ng liwanag sa napaka-tumpak na paraan.

Ito ay magiging lubos na kapaki-pakinabang para sa pag-develop ng maaasahan at mataas na performance na photonic chips.

Mga Simulasyon para sa Mas Mahusay na Pagtataya

Ipinaliwanag din ng papel na pananaliksik kung paano, salamat sa kumplikadong kalkulasyon, nagawa nilang lumikha ng simulasyon ng mga 3D na estruktura na may kumplikadong hugis, at ang kanilang epekto sa mga photonic mode at kung paano nabubuo ang kanilang imahe.

“Ang pagtuklas ay nagbibigay-daan para magamit ito sa compact na “on-chip” na mga sistema na kayang hawakan ang parehong klasikong at quantum computing na gawain.

Inaasahan naming ang aming mga pagtuklas ay magbubukas ng pintuan sa mga hinaharap na device na maaaring mag-operate sa antas ng iisang photon, na nag-iintegrate ng mga nanolaser kasama ang mga waveguide at iba pang elemento sa isang chip.

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

Kaya, ang mga susunod na pag-aaral ay makakakalkula ng mga optical effect na kapaki-pakinabang para sa photonics at data transmission nang walang electrical signals.

Mga Hinaharap na Aplikasyon

Photonic-Quantum Computer

Isang pangunahing bentahe ng paggamit ng mga pagtuklas na ito sa perovskite ay ang mga kristal na ito ay maaaring magamit sa temperatura ng silid.

Mahalaga ito, dahil karaniwan, ang mga epekto mula sa Bose-Einstein condensates ay nakikita lamang sa mga temperatura na bahagyang mas mataas kaysa sa absolute zero. Na malinaw na nagiging mas hindi praktikal at kapaki-pakinabang ito para sa anumang “normal” na computing.

Maari rin nitong paghaluin ang hangganan sa pagitan ng quantum computing at photonics, na maaaring sa hinaharap ay magkaroon ng mga computer system na gumagamit ng pareho nang sabay.

Kasama rito ang napaka-advanced na mga konsepto tulad ng nonlinear photonics bilang waveguides, couplers, splitters, at modulators.

Silicon-Perovskites Computing

Isa pang katangian ng mga bagong pinong perovskite crystal na ito ay ang kanilang compatibility sa silicon at gallium-arsenide substrates. Kaya madali silang maisama sa umiiral na teknolohiyang semiconductor ng silicon at iba pang materyales.

Maaari nitong lubos na mabawasan ang agwat sa pagitan ng kasalukuyang teknolohiya ng computing at ang pag-aampon ng photonics, kung saan ang photonics ang unang ide-develop at i-aadopt para sa limitadong mga aplikasyon, sa halip na kailanganin muna ang isang ganap na bagong uri ng parallel na set ng teknolohiya.

Pamumuhunan sa Perovskite at Photonics

Dahil sa mga umiiral nang aplikasyon sa solar at computing, maaaring na ngayong mamuhunan sa perovskite at photonics, kahit na sila ay nasa hangganan pa lamang ng agham ng materyales at inobasyon sa computing.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang photonics sa pamamagitan ng maraming broker, at dito, sa securities.io, makikita mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, at UK, at pati na rin sa maraming ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng tiyak na mga kumpanyang photonics, maaari ka ring tumingin sa mga ETF tulad ng Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa industriya ng photonics.

Maaari mo ring basahin ang aming artikulo tungkol sa “Top 10 Non-Silicon Computing Companies”.

Mga Kumpanya ng Photonics

1. JABIL

Sa katapusan ng 2023, nagpasya ang Intel (INTC ) na ibenta ang kanyang photonics business sa semiconductor manufacturing na Jabil (JBL).

Mas tiyak, nakuha nito ang silicon photonics transceiver technology ng Intel, na maaaring mag-bridge ng agwat sa pagitan ng optical signals at electronic signals sa silicon.

Pinagmulan: TrendForce

“Ang mga module ng Intel ay ginagamit upang ikonekta ang mga Ethernet switch sa malalaking data center, ngunit habang tumataas ang pangangailangan para sa bandwidth, inaasahan ng kumpanya na ang silicon photonics na co-packaged kasama ang switch ASICs ay magbibigay ng kinakailangang bandwidth density upang i-scale ang mga susunod na data center network.

Ang Jabil ay lubos na nasa tamang posisyon upang suportahan ang mga customer habang isinasama nila ang mga makabagong teknolohiya sa kanilang mga data center upang harapin ang tumataas na pangangailangan sa power at cooling na pinapagana ng artificial intelligence.”

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

Nagdala ito ng karagdagang IP sa photonic department ng kumpanya, na kasalukuyang nagko-komersyalisa ng mga teknolohiyang batay sa photonic:

• Mga solusyon sa pag-attach ng fiber: active alignment, passive alignment, single fiber, fiber array.
• Mga solusyon sa assembly: pick-and-place, die bond, wire bond, flip chip, reflow.
• Pag-aaplay at Pamamahala ng Epoxy: selection, characterization, dispensing.
• Mga solusyon sa encapsulation: gold box, dam-and-fill, glob-top.
• Free-space optics: Lenses/lens arrays, beam shapers, splitters, diffusers, waveguides.

May diversified na negosyo ang Jabil, na may multi-bilyong kita mula sa mga auto manufacturer, healthcare at packaging, mga industriyal na kumpanya, 5G wireless, atbp. Para sa kabuuang $27.5B na kita noong 2024.

Malaki ang maitutulong sa kumpanya ang mas mahusay na photonic technology, dahil sa kanilang umiiral nang papel sa paggawa ng mga splitter, shaper, atbp. para sa mga light array.

Ang Intel IP ay maaari ring makatulong na i-bridge ang agwat sa pagitan ng silicon at liwanag na inilalabas ng mga kristal ng perovskite.

Habang lumalaki ang pangangailangan para sa interconnection ng mga chip para sa AI applications, ito ay maaaring maging unang malaking breakthrough ng photonics, na may papel sa pag-iinterfacing (pa rin) ng silicon-based computing sa photonics-based optical networking.

2. II-VI Marlow / Coherent

Ang Coherent ay isang malaking industrial conglomerate na may higit sa 26,000 na empleyado at nangunguna sa laser technology, na resulta ng pagsasanib ng advanced material na II-VI (COHR ) Marlow at laser maker na Coherent.

Ang kumpanya ay eksperto sa mga advanced na materyales na ginagamit sa lasers, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafers, at gallium arsenide.

Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisitions sa nakaraang dekada.

Pinagmulan: Coherent

Kunin ng kumpanya ang 29% ng kanyang kita mula sa laser, habang ang natitira ay nauugnay sa mga kagamitan tulad ng optical fiber, electronics, at instrumentation.

Pinagmulan: Coherent

Ang presensya ng kumpanya sa mga advanced na materyales tulad ng thermophotovoltaics (na tinalakay namin sa isang nakaraang artikulo), silicon carbide, lasers, at electronics ay tumutulong dito na makinabang mula sa mga estruktural na trend tulad ng paglago ng precision manufacturing, additive manufacturing (3D printing), electrification, at renewable energies.

Kamakailan lamang, inihiwalay ng kumpanya ang kanyang silicon carbide business sa isang bagong entidad, na pag-aari ng 75% ng Coherent, at ang natitirang bahagi ay pantay na pag-aari ng mga kasosyo nitong Mitsubishi Electric (na nagdadala ng silicon carbide power IP) at Denso (na nagdadala ng kanilang aktibidad bilang automotive supplier sa electrification at power semiconductors).