"Полупроводниковые транзисторы используются во всей электронике, которую мы используем сегодня", - сказал Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук. "Они являются частью любой отрасли - от детских игрушек до ракет - и являются основными строительными блоками электроники".

Хассан возглавляет международную группу исследователей, опубликовавших исследовательскую статью "Сверхбыстрое оптическое переключение и кодирование данных в синтезированных световых полях" в Научные достижения в феврале. Постдокторский научный сотрудник UArizona physics Дандан Хуэй и аспирант физики Хусейн Алькаттан также внесли свой вклад в статью, в дополнение к исследователям из Университета штата Огайо и Мюнхенского университета Людвига Максимилиана.

Полупроводники в электронике полагаются на электрические сигналы, передаваемые с помощью микроволн, для переключения - либо разрешения, либо предотвращения - потока электроэнергии и данных, представленных либо как "включено", либо "выключено". Хассан сказал, что будущее электроники будет основано на использовании лазерного излучения для управления электрическими сигналами, что откроет двери для создания "оптических транзисторов" и разработки сверхбыстрой оптической электроники.

С момента изобретения полупроводниковых транзисторов в 1940-х годах технологический прогресс был сосредоточен на увеличении скорости, с которой могут генерироваться электрические сигналы, измеряемые в герцах. По словам Хассана, самые быстрые полупроводниковые транзисторы в мире могут работать со скоростью более 800 гигагерц. Передача данных на этой частоте измеряется в масштабе пикосекунд, или одной триллионной доли секунды.

Вычислительная мощность компьютеров неуклонно росла с момента появления полупроводниковых транзисторов, хотя Хассан сказал, что одной из основных проблем при разработке более быстрых технологий является то, что тепло, выделяемое при продолжении добавления транзисторов в микрочип, в конечном итоге потребует для охлаждения больше энергии, чем может пройти через чип.

В своей статье Хассан и его сотрудники обсуждают использование полностью оптического включения и выключения светового сигнала для достижения скорости передачи данных, превышающей петагерц, измеряемый в аттосекундном масштабе времени. Аттосекунда - это одна квинтиллионная секунды, что означает передачу данных в 1 миллион раз быстрее, чем у самых быстрых полупроводниковых транзисторов.

Хотя уже было показано, что оптические переключатели обеспечивают скорость обработки информации, превышающую скорость технологии на основе полупроводниковых транзисторов, Хассан и его соавторы смогли зарегистрировать сигналы включения и выключения от источника света, происходящие в масштабе миллиардных долей секунды. Это было достигнуто за счет использования свойств плавленого кремнезема, стекла, часто используемого в оптике. Плавленый кремнезем может мгновенно изменять свою отражательную способность, и с помощью сверхбыстрых лазеров Хассан и его команда смогли зарегистрировать изменения светового сигнала в аттосекундном масштабе времени. Работа также продемонстрировала возможность отправки данных в виде "единицы" и "нуля", представляющих включение и выключение с помощью света на ранее невозможных скоростях.

"Это новое усовершенствование также позволило бы кодировать данные с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов, что увеличило бы скорость передачи данных и могло бы использоваться в дальней связи с Земли в дальний космос", - сказал Хассан. "Это обещает увеличить предельную скорость обработки данных и кодирования информации и открыть новую область информационных технологий".

Проект финансировался за счет гранта в размере 1,4 миллиона долларов, предоставленного Хассану в 2018 году Фондом Гордона и Бетти Мур, организацией, целью которой является "создание положительных результатов для будущих поколений" путем поддержки исследований в области научных открытий, сохранения окружающей среды и ухода за пациентами. Статья также была основана на работе, проведенной при поддержке исследовательской программы Young Investigator Управления научных исследований ВВС США.