で 最近の研究スウェーデンのチャルマーズ工科大学の物理学者らは、光ベースの技術が、光スイッチが一定の速度を超えて情報を送信することを不可能にする「速度制限」の対象となる理由を特定した。

テクノロジーをより効率的にするために、エンジニアは情報を表現し伝達するために電気ではなく光を使用する方法を模索してきました。

エレクトロニクスにより、非常に強力なコンピューターの作成が可能になりましたが、技術の基盤として電気を使用することには限界があることに気づき始めています。 つまり、マイクロチップは非常に小さくすることしかできず、金属ワイヤが情報を送信できる速度には限界があります。

光学コンピューター、つまり電子の代わりに光子を使用するコンピューターは、心強い代替手段を提供します。 光学技術が未来であると信じている人もいます。 はるかに高速でエネルギー効率が高く、さらに多くの情報を保存できる可能性があります。

しかし、この夢を現実にするためには、光学技術者は光の制御の限界を克服する方法を見つけなければなりません。

携帯電話やテレビのビジュアルディスプレイから光ケーブルに至るまで、光を処理するすべてのテクノロジーには光スイッチの使用が必要です。 光スイッチは、インターネット トラフィックにおいて 100 秒間に最大 XNUMX 億回という高速で情報を伝達する光の色や強度を変更するために使用されます。

これは間違いなく高速ですが、従来の電子トランジスタと競合できるほど高速ではありません。

「現在、光ケーブルは長距離にわたって情報を伝送していますが、情報の処理は依然として光を電子信号に変換し、電子トランジスタで処理することによって行われています。」 ソフィー・ヴィアエン、チャーマーズ物理学科のナノフォトニクス研究者であり、この研究の筆頭著者。

「光スイッチが電子トランジスタと同じくらい高速で、エネルギー効率が高く、コンパクトになれば、電気信号に変換することなく情報を転送し、処理できるようになることが期待されています。」

この速度制限を克服するために、光学技術者は最近、オプトメカニカル メタマテリアルとして知られる人工特殊材料を開発しました。 これらの特別な素材は、天然素材が受ける制限を克服するように設計されています。

「オプトメカニカルメタサーフェスは多くの弾性要素で構成されており、その機械的構成により光がどのように処理されるかが決まります」とヴィアエン氏は述べています。

「このようなメタサーフェスの特性は、表面上の要素の構成を変える光学力を及ぼす外部光ビームによって制御できます。 特に、光ビームのパワーを変えることによって、メタサーフェスは異なる光学力を受け、ある状態から別の状態に切り替わります。 光ビームは高い振動周波数を持つ波であるため、研究者は高速スイッチングに光機械メタサーフェスを使用することを期待していました。」

大きな期待にもかかわらず、オプトメカニクスメタマテリアルは依然としてこれらの速度制限を突破できておらず、既存の電子ベースの技術を上回る性能を発揮していません。

「弾性要素と光ビームの間の相互作用は非線形であるため、高速スイッチングは不可能であることがわかりました。そのため、特定の構成ではシステムが非常に遅くなります」と Viaene 氏は続けました。

Viaene は、光スイッチが、たとえオプトメカニカル メタマテリアルをベースにしたものであっても、これらの速度制限を乗り越えることができない理由を正確に理解しようと努めました。 そうするために、Viaene は、光学力の影響下でのメタサーフェス要素の非線形ダイナミクスを調べました。

光スイッチの速度を決定するには、メタサーフェス上の弾性要素がある構成から別の構成に移動する速度を知る必要があります。 この場合、弾性要素にかかる力は要素の構成によって大きく決まります。 言い換えれば、弾性要素と光ビームの間の力学は非線形です。

研究者らは、弱い力に関連する構成で重大な速度低下などの奇妙な現象を引き起こす非線形力学が、オプトメカニカルスイッチの速度を制限する上で重要な役割を果たしていることを発見した。

彼らは XNUMX つの主要な結論を導き出しました。

「まず、光スイッチは、スイッチングに有利と考えられていた体制において重大な減速に見舞われています」とヴィアエン氏は述べた。

「第二に、光ビームのすべての周波数に適用される基本的な速度制限があり、メタサーフェスが電子トランジスタのスイッチング速度よりも速くなることはありません。」

事実上、これは、現在の設計では、オプトメカニカルメタサーフェスが高速スイッチにはあまり役に立たないことを意味します。 これらの速度制限を突破することはできません。

これは、いつか光コンピュータが現実になることを望んでいる人々にとっては良い前兆ではありませんが、光機械メタサーフェスがまったく役に立たないという意味ではありません。

Viaene氏は、スマートウォッチやGoogle Glassなどの光学式ウェアラブル技術など、高速スイッチを必要としない技術の内部では依然として非常に役立つ可能性があると述べた。 これらの材料は薄くて柔軟性があるため、電子機器よりも役立つ可能性があります。

この研究は、速度制限を克服できる新しい設計アプローチにつながる可能性もあります。

「オプションの XNUMX つは、表面全体ではなく、一度に XNUMX つの粒子を操作することです。これにより、光との相互作用がより効率的に制御されます」と Viaene 氏は述べています。

「もう XNUMX つのオプションは、メタマテリアル要素を一定の速度で連続的に移動させ、この動きの変化を記録することです。」

研究の詳細を記した論文が雑誌に掲載される 物理学レター.

研究チームには、 フィリップ・タッサン、チャーマーズ大学の物理学の准教授、そして ヴィンセント・ジニス & ヤン・ダンカールト ブリュッセル自由大学とハーバード大学で博士号を取得。