今日の電子コンピュータ チップは、猛スピードで動作します。しかし、電子の代わりに光の光子を使ってデータを保存、操作、移動する代替バージョンは、今日のチップをことわざの馬とバギーのように見せるでしょう.現在、ある研究者チームが、チップ上に最初の永久光メモリを作成したと報告しています。これは、その方向への重要な一歩です。
スペインのバルセロナにある光科学研究所のレーザー物理学者 Valerio Pruneri は、「私はこの研究に非常に前向きです」と述べています。 「これは新しいコンセプトの素晴らしいデモンストレーションです。」
いわゆるフォトニック チップへの関心は数十年前からあり、その理由は簡単にわかります。電子がコンピューター チップの基本部分 (データを操作する論理回路、データを保存するメモリ回路、データを運ぶ金属ワイヤ) を移動するとき、電子は互いにぶつかり合い、速度が低下し、吸い上げなければならない熱が発生します。これは光子には当てはまりません。光子は抵抗なしで一緒に移動し、光速で移動します。研究者は、金属ワイヤと光メモリ回路を置き換える光ラインを備えた、光子に優しいチップをすでに作成しています。しかし、部品にはいくつかの重大な欠点があります。たとえば、メモリ回路は、安定した電源が供給されている場合にのみデータを保存できます。電源を切るとデータも消えます。
現在、イギリスのオックスフォード大学のナノ工学の専門家である Harish Bhaskaran と、ドイツの Karlsruhe 工科大学の電気技師 Wolfram Pernice が率いる研究者は、メモリ消失問題の解決策を、書き換え可能な CD と DVD の心臓部。その材料（略してGST）は、ゲルマニウム、アンチモン、およびテルルの合金の薄い層で構成されています。レーザー光の強力なパルスでザッピングすると、GST フィルムはその原子構造を規則正しい結晶格子から「非晶質」寄せ集めに変化させます。これら 2 つの構造は異なる方法で光を反射し、CD と DVD はこの違いを利用してデータを保存します。結晶または非晶質の秩序を持つ小さなスポットのパターンとして保存されているデータを読み取るために、CD または DVD ドライブはディスクに低強度のレーザー光を照射し、光が跳ね返る方法を追跡します。
GST との共同作業で、研究者は、材料が光がフィルムから反射する方法だけでなく、吸収される量にも影響することに気付きました。透明な材料が GST フィルムの下にある場合、結晶構造を持つスポットは、アモルファス構造を持つスポットよりも多くの光を吸収しました。
次に、研究者は、この特性を利用してデータをチップに永続的に保存し、後で読み取ることができるかどうかを確認したいと考えていました。これを行うために、彼らは標準的なチップ製造技術を使用して、光のパルスを含み、チャネルする導波路として知られる窒化ケイ素デバイスをチップに装備しました。次に、この導波路の上にGSTのナノスケールパッチを配置しました。この層にデータを書き込むために、科学者は強い光パルスを導波管に送りました。高強度の光の電磁界が GST を溶かし、その結晶原子構造を非晶質に変えました。次に、わずかに強度の低い 2 番目のパルスにより、材料が元の結晶構造に戻る可能性があります。
研究者がデータを読み取りたいときは、強度の低い光パルスを照射し、導波路を透過した光の量を測定しました。光がほとんど吸収されない場合、彼らは GST 上のデータ スポットが非晶質の秩序を持っていることを知っていました。それ以上吸収された場合、それは結晶性であることを意味します.
Bhaskaran 氏、Pernice 氏、および彼らの同僚は、保存および読み取り可能なデータ量を劇的に増やすための措置も講じました。まず第一に、彼らは複数の波長の光を同時に導波路に送り、複数ビットのデータを同時に読み書きできるようにした。これは、電気的データ記憶装置ではできないことだ。そして、今週 Nature Photonics で報告されているように 、データ書き込みパルスの強度を変えることにより、各GSTパッチのどれだけが一度に結晶または非晶質になるかを制御することもできました。この方法では、1 つのパッチを 90% アモルファスで 10% だけ結晶化し、別の 80% アモルファスで 20% 結晶化することができました。これにより、100% アモルファスまたは結晶スポットに使用される通常のバイナリ 1 と 0 だけでなく、8 つの異なる組み合わせでデータを保存することが可能になりました。これにより、各スポットが保存できるデータ量が劇的に増加します、と Bhaskaran 氏は言います。
フォトニック メモリが電子メモリに追いつくには、まだ長い道のりがあります。競争力を維持するには、少なくともストレージ密度を桁違いに上げる必要があります。バスカラン氏によると、究極的には、より高度なフォトニック メモリをフォトニック ロジックおよび相互接続と統合できれば、結果として得られるチップは、今日のコンピューター プロセッサの 50 倍から 100 倍の速度で動作する可能性があります。
