Uutiset

Tutkijat saivat valon suorittamaan laskuoperaatioita

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

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
[email protected]

Professori Zhipei Sun
Aalto-yliopisto
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Fotoniikan tutkimusryhmä
p. 050 430 2820
[email protected]

Dr. He Yang
Aalto-yliopisto
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Fotoniikan tutkimusryhmä
p. 041 495 1062
[email protected]

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Nesteen polttoainejalostamon tankit Porvoossa
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Yhteistyö Aallon kanssa tuo Nesteelle merkittävää taloudellista hyötyä

Yhteistyön tuloksena Nesteen polttoainetutkimukseen tuotiin digitaalisia työkaluja perinteisen testaamisen rinnalle.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Virtuaalinen kirjastokortti koekäytössä

Virtuaalinen kirjastokortti koekäytössä
Professor Riikka Puurunen, Professor Patrick Rinke and IT Application Owner Lara Ejtehadian holding sunflowers and diplomas
Palkinnot ja tunnustukset, Kampus, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon avoimen tieteen palkintojuhla toi aaltolaisia yhteen keskustelemaan avoimesta tieteestä

Viime viikolla kokoonnuimme A Gridiin juhlimaan Aallon avoimen tieteen palkinnon 2023 saajia ja keskustelemaan avoimesta tieteestä aaltolaisten kanssa.
Three female students studying
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Hae siemenrahoitusta Aallon, KU Leuvenin ja Helsingin yliopiston yhteisille tutkimusprojekteille

Aalto-yliopisto, KU Leuven (Belgia) ja Helsingin yliopisto avaavat tutkimusyhteistyön käynnistämistä tukevan siemenrahoitushaun. Rahoitushaku on käynnissä 10. syyskuuta 2024 asti.