Учёные из Датского технического университета (DTU) разработали миниатюрный нанолазер, который в перспективе способен ускорить работу компьютеров, смартфонов и центров обработки данных, одновременно значительно снизив энергопотребление. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances. В будущем тысячи таких лазеров можно будет размещать на одном микрочипе.
Вместо передачи информации по чипу с помощью электрических сигналов устройства смогут обмениваться данными посредством фотонов — частиц, из которых состоит свет. «Нанолазер открывает возможность создания нового поколения компонентов, сочетающих высокую производительность с минимальными размерами. Это может найти применение в информационных технологиях, например, где сверхмалые и энергоэффективные лазеры способны снизить энергопотребление компьютеров, а также в разработке сенсоров для здравоохранения, где предельная концентрация света в нанолазере обеспечивает изображения высокого разрешения и сверхчувствительные биосенсоры», — приводит слова профессора DTU Еспера Мёрка сайт ScienceDaily.
Мёрк является соавтором исследования вместе с докторами Мэн Сюн и И Ю из подразделения DTU Electro. Значительная часть интернета уже использует свет для передачи информации по оптоволоконным кабелям. Однако внутри компьютеров данные по-прежнему перемещаются по электронным схемам с помощью электричества, что приводит к нагреву и ограничивает скорость передачи.
Нанолазеры способны обеспечить оптическую связь непосредственно на микрочипах. Генерируя световые сигналы внутри чипа с высокой эффективностью, они позволят передавать информацию с минимальными потерями энергии, что сделает будущие устройства быстрее, холоднее и экономичнее. По оценке Мёрка, применение нанолазеров в компьютерах может сократить энергопотребление вдвое.
Компактный нанолазер DTU стал важным шагом к этой цели. Будущие чипы, построенные на оптической связи, потребуют тысяч предельно малых и эффективных лазеров, работающих совместно для передачи данных по всей площади чипа. Новое устройство создано в чистой комнате DTU Nanolab. По словам Мёрка, оно преодолевает традиционный предел миниатюризации лазеров.
В основе устройства лежит структура, известная как нанорезонатор, которая удерживает и концентрирует свет в исключительно малом пространстве. До сих пор добиться столь сильного удержания света в таком масштабе считалось крайне сложной задачей. При направлении светового пучка на устройство фотоны и электроны сосредотачиваются в одной микроскопической области, что позволяет лазеру работать при комнатной температуре и требовать необычно мало энергии. Светоудерживающая структура была изначально разработана группой профессора Оле Сигмунда в DTU Construct.
Следующая ключевая задача — заставить нанолазер работать от электрического питания. Если исследователям это удастся, технология найдёт широкое применение в вычислительной технике, связи и здравоохранении. Компьютеры и смартфоны смогут работать производительнее при меньшем потреблении электроэнергии, а центры обработки данных, расходующие огромные объёмы мощности, существенно снизят энергозатраты, что принесёт заметную пользу климату. В медицинских технологиях способность нанолазера концентрировать свет на предельно малой площади позволит создавать сверхчувствительные сенсоры и системы визуализации высокого разрешения. По оценкам исследователей, оставшиеся технические проблемы удастся решить в течение ближайших 5–10 лет.