물리학

광 기반 정보 처리 칩은 오늘날의 전자 제품에 비해 처리 능력과 속도를 크게 향상시킬 수 있지만 개발의 과제 중 하나는 빠른 광학 제어 스위치를 만드는 것입니다. 반도체 재료에서 하나의 광 신호가 다른 광 신호를 제어할 수 있도록 하는 새로운 방법은 이제 칩에 쉽게 통합될 수 있는 장치에서 스위칭 시간을 약 피코초(10-12초)에서 최대 100배 더 빠르게 만듭니다[1] . 빠른 전환은 초전도체와 저온 가스의 특이한 거동으로 유명한 양자 상태인 보스-아인슈타인 응축물(BEC)을 새로운 방식으로 활용함으로써 달성됩니다. 이 작업은 초고주파 광학 정보 기술의 길을 열었습니다.

빛을 사용하여 전류를 제어하는 ​​광전자 스위칭은 이전에 단 1펨토초(10-12초) 내에 시연되었지만 제조 및 작동이 어려운 반도체 장치에서만 가능했습니다[2]. 칩 기반 광학 장치를 만드는 다른 접근 방식은 광학 공동에 갇힌 광자가 엑시톤(전자와 "정공"의 조합 또는 전자의 부재)이라는 전자 상태와 상호 작용할 때 형성되는 엑시톤 폴라리톤이라는 전자 여기를 활용합니다. 전자). 광자와 엑시톤은 준입자인 엑시톤 폴라리톤에 결합할 수 있습니다.

엑시톤 폴라리톤은 빛의 강도가 변함에 따라 갑자기 변하는 방식으로 빛과 상호 작용할 수 있습니다. 특히, 광학 펄스는 이러한 준입자에서 방출되는 빛의 강도를 갑자기 0으로 감소시킬 수 있습니다. Polariton 기반 광 스위치는 이전에 피코초 정도의 스위칭 시간으로 보고되었습니다[3, 4].

중국 화동사범대학의 Hui Li가 이끄는 중국 팀은 준입자가 단일 양자 상태로 "응축"되는 폴라리톤의 BEC를 사용하여 전환 속도를 높이고자 했습니다. 보스-아인슈타인 응축은 일반적으로 초저온에서만 발생하지만, 반도체 미세공동의 엑시톤 폴라리톤은 실온에서도 BEC를 형성할 수 있습니다[5]. 이러한 폴라리톤 응축물은 이전에 광 스위치 및 기타 장치에 사용되었지만 [3, 6] Li와 동료들은 새로운 기술로 훨씬 더 빠른 스위칭을 달성할 수 있을 것이라고 의심했습니다. 그들은 빛의 "제어" 펄스가 준입자의 광자 부분과 상호 작용하여 BEC 상태에서 많은 폴라리톤을 신속하게 제거하고 시스템을 갑자기 끄는 방식을 활용하기를 원했습니다.

팀의 폴라리톤 BEC는 단 몇 펨토초 동안 지속되는 자외선 펌프 펄스에 의해 생성된 엑시톤 폴라리톤으로부터 단면이 3.6마이크로미터인 산화아연 와이어인 미세공동에 형성됩니다. 펌프 광자는 와이어의 육각형 단면 내에서 튀어오르고 재료의 여기자와 상호 작용하여 폴라리톤을 형성합니다. 폴라리톤은 몇 피코초 내에 붕괴되는 약 2천만 개의 준입자로 구성된 BEC로 응축됩니다. 펌프 펄스는 입력 신호로 사용됩니다. BEC가 지속되는 동안 일부 광자가 방출되어 출력으로 감지될 수 있습니다.

적색 레이저의 제어 펄스는 응축수를 파괴하여 응축수의 폴라리톤을 고갈시키고 출력 신호를 끕니다. Li는 이러한 중단이 이전 폴라리톤 스위치보다 약 100배 빠른 피코초 이내에 발생한다고 말합니다. 또한 장치의 온-오프 신호 비율(소광 비율)은 약 100만 개에 달하며 이는 폴라리톤 스위치에서 가장 높은 수준입니다. 연구원들은 제어 펄스의 지속 시간을 단축함으로써 스위칭 속도를 10배까지 높일 수 있다고 말합니다.

"이것은 매우 훌륭한 작업이며 나는 그 결과에 깊은 인상을 받았습니다."라고 칼리지 파크에 있는 메릴랜드 대학교의 양자 광학 전문가 Daniel Suárez Forero는 말했습니다. "BEC의 첫 번째 실험적 시연 이후 27년이 지난 지금, 이 현상을 호스팅하는 시스템의 제어가 기술 적용이 구현될 수 있는 지점까지 어떻게 개선되었는지 보는 것은 좋은 일입니다."

그는 장치의 실온 작동, 빠른 전환 시간 및 높은 소광비를 높이 평가합니다. 이러한 특성은 "이러한 시스템을 초고속 스위칭 기술에 매우 적합하게 만든다"고 그는 말합니다. 그러나 Suárez Forero는 레이저를 포함한 모든 구성 요소를 소형화하는 등 극복해야 할 중요한 과제가 여전히 남아 있다고 경고합니다.