وقتی نور جای الکتریسیته را می‌گیرد!
پژوهشگران "دانشگاه استنفورد" سعی دارند برای افزایش سرعت رایانه‌ها، نوعی دیود ارائه دهند که در آن به جای الکتریسیته از نور استفاده میشود.
به گزارش ایسنا و به نقل از وب سایت رسمی دانشگاه استنفورد، پژوهشگران سعی دارند نوعی دیود در مقیاس نانو طراحی کنند که بتواند امکان دستیابی به رایانه‌های سریع‌تر و کارآمدتر را فراهم کند و همچنین به جای الکتریسیته، نور را به کار ببرد.
شاید آینده پردازش اطلاعات، بیش از الکتریسیته به نور وابسته باشد. "مارک لارنس"(Mark Lawrence)، پژوهشگر مهندسی و علوم مواد دانشگاه استنفورد، گامی دیگر به سوی این آینده برداشته است. لارنس و گروهش، طرحی برای یک دیود فوتونی ارائه داده‌اند که می‌توان امکان جریان یافتن نور را در یک جهت فراهم کند و برخلاف دیودهای دیگر، آنقدر کوچک است که در تجهیزات الکترونیکی جای می‌گیرد. هدف لارنس، طراحی ساختارهای کوچکتر از اندازه میکروسکوپی بود.
"جنیفر دیون"(Jennifer Dionne)، استادیار مهندسی و علوم مواد دانشگاه استنفورد گفت: دیودها در تجهیزات الکترونیکی جدیدی مانند لامپ‌های LED و سلول‌های خورشیدی، همیشه وجود دارند و به مدارهایی برای محاسبات و ارتباط مجهز هستند. در اختیار داشتن دیودهای فوتونی کارآمد، نقش مهمی در رسیدن به نسل آینده فناوری‌های مربوط به محاسبات، ارتباط و حتی مصرف انرژی خواهد داشت.
دیون و لارنس برای رسیدن به این هدف، یک دیود فوتونی جدید طراحی کردند و آن را با شبیه‌سازی‌ها و محاسبات رایانه‌ای مورد بررسی قرار داده‌اند. آنها نانوساختارهایی نیز ایجاد کردند که از ذرات میکروسکوپی هم کوچکتر هستند و امیدوارند آنها را به مرحله تولید برسانند.
لارنس افزود: یکی از اهداف ما این است که یک رایانه تمام نوری داشته باشیم که در آن، الکتریسیته جای خود را به طور کامل به نور می‌دهد و فوتون‌ها، همه کار پردازش اطلاعات را انجام می‌دهند. افزایش سرعت و پهنای باند نور می‌تواند راه حل‌های دقیق‌تری برای برخی از دشوارترین مشکلات علمی، ریاضی و اقتصادی ارائه دهد.
چرخش نور، شکستن قوانین
چالش‌های اصلی در مورد یک دیود مبتنی بر نور، در دو گروه قرار می‌گیرند. نخستین مورد این است که نور باید از میان یک شیء به سمت جلو حرکت کند و هیچ بخش متحرک دیگری وجود ندارد که بتواند آن را به عقب بازگرداند؛ در نتیجه برای قرار دادن نور در یک جهت، باید از مواد جدیدی استفاده شود و دوم این که مدیریت کردن نور، بسیار دشوارتر از الکتریسیته است.
لارنس ادامه داد: حرکت نور در یک جهت، مانند قرار گرفتن یک پیاده‌روی متحرک میان دو در است. پیاده‌رو در این مثال، نقش دامنه مغناطیسی را دارد. حتی اگر فردی بخواهد به سمت عقب حرکت کند و به طرف در برود، پیاده‌روی متحرک مانع این کار خواهد شد.
دیودها برای تولید چرخش کافی قطبش نور، باید نسبتا بزرگ باشند؛ آن قدر بزرگ که در رایانه‌ها یا تلفن‌های همراه هوشمند به کار روند. دیون و لارنس تلاش کردند تا جایگزینی ارائه دهند و راهی پیدا کنند تا بتوان برای تولید چرخش، به جای دامنه مغناطیسی از پرتو نور استفاده کرد.
پژوهشگران برای ارائه ساختارهای کوچک و کارآمد، تلاش کردند تا نور را در نانوساختارهایی موسوم به "متاسطح"(metasurface) به کار ببرند. آنها صفحات سیلیکونی مافوق باریکی طراحی کردند که می‌توان از آنها برای محبوس کردن نور استفاده کرد.
نور در رایانه
پژوهشگران باور دارند که این ایده‌ها، بر پیشرفت رایانه‌های شبیه به مغز انسان موسوم به "رایانه‌های نورومورفیک"(neuromorphic computers) نیز موثر خواهند بود. رسیدن به این هدف، در گرو پیشرفت بیشتر عناصر مبتنی بر نور است.
دیون افزود: ابزار نانوفوتونیک ما می‌توانند امکان تقلید نحوه محاسبات نورون‌ها را فراهم کنند و با تقیلد از اتصالات و کارایی مغز، به محاسبات سرعت ببخشند.
لارنس ادامه داد: ما می‌توانیم این ایده را در حوزه‌های بسیاری به کار ببریم و شاید روزی بتوانیم یک تراشه نوری را بر اساس این ایده ارائه دهیم که بتوان از آن در همه تجهیزات الکترونیکی استفاده کرد.
این پژوهش، در مجله "Nature Communications" به چاپ رسید.