Tutkijat saivat valon suorittamaan laskuoperaatioita

30.07.2018

Aalto-yliopiston tutkijat rakensivat optisen laskimen hiuksen sadasosaakin ohuemmista nanolangoista. Sähkön sijaan se suorittaa laskutehtävät valon avulla, ensimmäistä kertaa maailmassa.

valolaskin.jpg

Työssä käytetyn täysin optisen loogisen piirin toimintaperiaate. (a) ja (b): horisontaalinen polarisaatiotila synnyttää infrapunavaloa (aallonpituus ~900 nm) kun taas (c) ja (d) vertikaalinen polarisaatiotila synnyttää näkyvää valoa (aallonpituus ~650 nm).

Arkemme olisi hyvin erilaista ilman mikroprosessoreita. Puhelimia, tietokoneita ja älytelevisioita pyörittävä teknologia on kuitenkin pitkään lähestynyt suorituskykynsä äärirajoja, ja siksi tutkijat ympäri maailmaa kehittävät uuden sukupolven laskentatapoja.

Tuoreessa Science Advances -tiedejulkaisussa Aalto-yliopiston tutkijat esittelevät uudenlaisen, täysin valon avulla toteutetun loogisen piirin. Tutkijoiden keksintö muodostuu poikittain olevista nanokokoisista langoista, ja se pystyy valon avulla suoriutumaan loogisista tehtävistä, kuten yhteen- ja vähennyslaskuista. Keksintö on merkittävä askel kohti täysin optisen laskennan toteutumista.

”Teimme laskutoimituksia binääriluvuilla ja osoitimme, että nanorakenne suoriutuu niistä aivan kuten yksinkertainen taskulaskinkin. Erona on vain se, että sähkön sijaan laskuoperaatiot toteutetaan valon avulla”, selittää projektia vetänyt, Aallossa tutkijatohtorina työskennellyt Henri Jussila.

Tiimi käytti nanorakenteen valmistukseen kahdesta eri materiaalista, indium-fosfidista ja alumiini-gallium-arsenidista, tehtyjä nanolankoja. Lankojen pituus oli 10 mikrometriä ja paksuus noin 100 nanometriä eli viidessadasosa hiuksen halkaisijasta. Ainutlaatuisen yksiulotteisen rakenteensa ansiosta nanolangat toimivat kuten nanokokoiset valoantennit. Rakenteen toimintaperiaatetta voi verrata vanhoihin radiovastaanottimiin, jotka vastaanottivat signaaleja parhaiten antennin ollessa optimaalisesti suunnattuna.

Rakenne kampaamalla

Rakenteen kokoamisessa tutkijat hyödynsivät hiusten kampaamista muistuttavaa tekniikkaa, jolla nanolangat saatiin järjestettyä tarkasti haluttuun suuntaan.

”Kampausmetodia toistamalla pystyimme rakentamaan laitteen, jossa kaksi erilaista nanolankaa ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden”, sanoo fotoniikan tutkimusryhmää johtava professori Zhipei Sun.

“Yksiulotteisuus ja nanolankojen kampauksen mahdollistama poikkipuurakenne ovat avainasemassa: niiden ansiosta tulevan valon tila vaikuttaa siihen, onko se vuorovaikutuksessa indium-fosfidin vai alumiini-gallium-arsenidin kanssa”, lisää tutkijatohtori He Yang.

Se, reagoiko indium-fosfidi- vai alumiini-gallium-arsenidi-nanolanka rakenteeseen osuvan valon kanssa, riippuu valon tilasta eli polarisaatiosta ja aallonpituudesta. Koska eri materiaalit reagoivat valoon eri tavoilla, uloslähtevän valon tilaa eli loogisen piirin ulostuloa pystytään vaihtamaan rakenteeseen osuvan valon polarisaatiotilaa ja aallonpituutta muuttamalla.

Tutkimusartikkeli:

He Yang, Vladislav Khayrudinov, Veer Dhaka, Hua Jiang, Anton Autere, Harri Lipsanen, Zhipei Sun, Henri Jussila, ‘‘Nanowire network-based multifunctional all-optical logic gates’’. Science Advances 4: eaar 7954 (2018).

Linkki artikkeliin

 

Lisätietoja:

Dr. Henri Jussila
p. 040 765 0333
henri.jussila@aalto.fi

Professori Zhipei Sun
Aalto-yliopisto
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Fotoniikan tutkimusryhmä
p. 050 430 2820
zhipei.sun@aalto.fi

Dr. He Yang
Aalto-yliopisto
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Fotoniikan tutkimusryhmä
p. 041 495 1062
he.2.yang@aalto.fi