[Phần mềm di động: BoKeYuan] Nếu máy tính sử dụng photon thay vì electron để truyền dữ liệu, chúng sẽ hoạt động tốt hơn và sử dụng ít điện năng hơn. Các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu một hợp kim phát sáng mới của silicon và germani để tạo ra chip quang tử có khả năng cách mạng hóa máy tính. Photon, hạt tạo nên ánh sáng, đã thay thế phần lớn electron trong việc truyền dữ liệu trong mạng lưới truyền thông. Băng thông cao của tín hiệu quang đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống điện thoại, truyền hình và Internet, tuy nhiên, photon vẫn chưa thay thế được electron trong máy tính.
Việc sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu xung quanh chip xử lý và các kết nối của chúng sẽ làm tăng đáng kể tốc độ của máy tính (giao tiếp trong và giữa các chip có thể tăng tốc lên gấp 1.000 lần) đồng thời giảm điện năng cần thiết để chạy. Các chip vi xử lý tiên tiến có thể chứa hàng chục tỷ bóng bán dẫn và các kết nối điện bằng đồng của chúng tạo ra rất nhiều nhiệt khi hoạt động. Không giống như photon, electron có khối lượng và điện tích. Khi chúng chảy qua vật liệu kim loại hoặc bán dẫn, chúng bị phân tán bởi các nguyên tử silicon và kim loại, khiến chúng rung động và sinh ra nhiệt. Do đó, phần lớn điện năng cung cấp cho bộ vi xử lý bị lãng phí.
Thách thức trong việc sản xuất ánh sáng từ silicon
Ngành công nghiệp điện tử đang chuẩn bị sử dụng silicon trong chip máy tính vì tính chất điện tử vượt trội và tính sẵn có của nó. Đây là một chất bán dẫn rất tốt và là một nguyên tố dồi dào, giống như silic oxit, nó cũng là một thành phần của thủy tinh và cát. Tuy nhiên, do cấu trúc tinh thể của nó, silicon không có khả năng xử lý ánh sáng tốt. Ví dụ, nó không thể tạo ra photon hoặc kiểm soát luồng photon để xử lý dữ liệu. Các nhà khoa học đã nghiên cứu các vật liệu phát sáng như gali arsenide và indi photphua, nhưng việc sử dụng chúng trong máy tính vẫn còn hạn chế vì chúng không tích hợp tốt với công nghệ silicon hiện tại.
Chip quang điện tử
Các nhà khoa học châu Âu đã công bố trên tạp chí Nature một hợp kim mới của silicon và germani có hoạt tính quang học. "Đây là bước đầu tiên", Jos Haverkort, nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Eindhoven ở Hà Lan, cho biết. "Chúng tôi đã chứng minh rằng vật liệu này rất thích hợp để phát sáng và tương thích với silicon." Bước tiếp theo là phát triển một loại laser tương thích với silicon, loại laser này sẽ được tích hợp vào các mạch điện tử và được sử dụng làm nguồn sáng cho chip quang điện tử. Đây là mục tiêu cuối cùng của dự án SILAS, được hỗ trợ bởi chương trình FET của EU.
Nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi Erik Bakkers của Đại học Eindhoven và còn có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Jena và Munich ở Đức, Đại học Linz ở Áo, Đại học Oxford ở Anh và Đại học IBM ở Thụy Sĩ. Để tạo ra tia laser, các nhà khoa học đã kết hợp silicon và germani trong một cấu trúc lục giác có khả năng phát ra ánh sáng, khắc phục được nhược điểm của silicon là các nguyên tử được sắp xếp theo hình khối lập phương. Đây là một dự án khó khăn và những nỗ lực ban đầu nhằm đưa silic vào cấu trúc lục giác bằng cách lắng đọng các nguyên tử silic trên một lớp germani lục giác đã thất bại.
Jonathan Finley của Đại học Kỹ thuật Munich giải thích: "Khi silicon được phát triển trên germani lục giác phẳng, nó ngoan cố từ chối thay đổi cấu trúc khối của nó. Finley đã có thể giải quyết được sự phát triển bất thường này của silicon-germani bằng cách đo các đặc tính quang học của các mẫu silicon thu được. Tuy nhiên, trong nhiều năm, nhóm Eindhoven đã phát triển chuyên môn trong việc phát triển các ống nano và lý luận rằng những gì không hiệu quả trên bề mặt phẳng của germani có thể hiệu quả trên bề mặt cong của ống nano, và lần này vấn đề đã được giải quyết.
Những gì được thực hiện là sử dụng các sợi nano gali arsenide, có cấu trúc hình lục giác, do đó có một thân hình lục giác, và các nhà nghiên cứu đã tạo ra một lớp vỏ silicon xung quanh lõi, cũng có cấu trúc hình lục giác. Bằng cách thay đổi lượng silic và germani lắng đọng trên các ống nano, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi nồng độ germani vượt quá 65 phần trăm, hợp kim lục giác có thể phát sáng. Bước tiếp theo là trình diễn khả năng phát laser, hay nói cách khác là xác định xem hợp kim silicon-germanium khuếch đại và phát ra ánh sáng như thế nào dưới dạng ánh sáng laser và đo lường nó.
Có một số vấn đề nổi bật cần được giải quyết trước khi silicon germanium có thể được tích hợp hoàn toàn với thiết bị điện tử dựa trên silicon: Đầu tiên, các thiết bị phải được tích hợp với các công nghệ hiện có, đây vẫn là một rào cản. Người ta kỳ vọng rằng máy tính lượng tử trong tương lai sẽ sử dụng các ứng dụng như đèn LED silicon giá rẻ, laser sợi quang, cảm biến ánh sáng và chấm lượng tử phát sáng. Nhìn chung, sự chuyển đổi từ truyền thông điện sang truyền thông quang sẽ thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều lĩnh vực, từ lidar cho xe tự lái đến cảm biến chẩn đoán y tế hoặc phát hiện ô nhiễm không khí theo thời gian thực.
