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研究人员认为水凝胶有望用于全光计算

发布:laserpulse    |    2020-02-14 21:39    阅读:354
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数十年来,科学家一直在尝试构建使用光而不是电流来处理信息的计算机。最大的挑战之一是找到一种合适的非线性工艺来完成晶体管开关的光学等效过程。但是现在,美国和加拿大的一项合作研究相信它可能会找到答案—一种特殊设计的凝胶,它可以使相当弱的激光束引导自己并与其他距离较远的光束相互作用。

由于一项新的研究将水凝胶用作两个激光束之间的中介,因此全光学计算有一天可能成为现实。

电子学与光学

非线性对于数字计算至关重要,因为它允许晶体管充当开关,当被小得多的(电)信号激活时就可以传输电流。但是,与电子不同,光子不会自发地相互作用。为了解决这个问题,他们试图建立一台全光计算机,该计算机将以光子的形式存储、传输和处理数据。研究人员一直在研究用作激光束之间中介的材料。

在最新的工作中,美国马萨诸塞州哈佛大学和加拿大安大略省麦克马斯特大学的科学家向充满水的聚合物发射了激光束,该聚合物被称为水凝胶,其中还包含光敏分子。通过光学诱导化学反应,将水从材料中排出,从而导致聚合物收缩并变得更致密。这将在光束的路径中产生较高的折射率,而在光束的路径外产生较低的折射率,从而创建一个波导,该波导将依次聚集光束并提高其强度-只需打开光束即可启动正反馈环路。

在理论上对这种行为进行了建模之后,研究人员随后在实践中对其进行了观察。他们发现,只有几毫瓦功率的绿色激光束穿过4毫米厚的水凝胶样品时会开始显著扩散,其直径从20微米增加到120微米。但是在50秒内,由于创建了波导,光束的峰值强度上升了20倍,并且其出口处的直径减小到仅40μm。再过200秒,它的强度又增加了两倍,而宽度又下降到20μm,这意味着几乎没有发散。

调制激光束相互作用

至关重要的是,这项合作还发现,两个激光束在样品的不同点处穿过凝胶,彼此之间相互影响,从而形成了波导。当光束之间的距离仅为25μm时,这是正确的,它们的峰值强度上升的幅度不超过5倍。但是,当它们彼此之间没有直接接触时,即使在相隔200μm的情况下,它们的最大可能强度也大致降低了一半。研究人员说,这是因为每条光束都增加了其路径中聚合物的密度,但同时又使该密度进一步减小(通过将水向外挤)。

麦克马斯特大学小组成员Kalaichelvi Saravanamuttu认为,光束的相互作用能力可能会导致一种不涉及硬连线电路的新型计算形式。她说:“水凝胶在影响这些相互作用方面起着至关重要的作用,而这种相互作用在根本上令人着迷。” “从长远来看,我们还可以想象使用这种智能响应能力来设计计算操作。”

适合计算吗?

研究人员在论文中指出,其50至100秒的开关速度与以纳秒为时标运行的光电开关没有任何可比性。但是他们说,与非线性光学中使用的某些常规材料相比,他们的技术仍然具有一些优势,包括可重复性,要求很少的光束功率以及实现长距离相互作用。他们写道,他们的系统“提供了概念验证,为合理设计其他类型的响应更快的光致变色水凝胶奠定了基础”。

但是并非所有人都相信该技术适合计算。澳大利亚墨尔本大学的电气工程师Rodney Tucker认为,重要的度量标准不是光功率,而是每个信息位的能量。他说,时间尺度在几秒的数量级上,因此需要毫焦耳的能量,他认为,与最佳的光电和电子信号处理设备相比,毫焦耳的能量是不利的,后者分别工作在皮焦耳和飞焦耳的水平。他说:“这里提出的技术需要提高12个数量级才能提高竞争力。”

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