世界初の超高速全光学式室温トランジスタ

カバーネイチャーフォトニクス6月号。画像：Anton V. Zasedatelev、Skoltech。表紙デザイン：ベサニー・ヴコマノビッチ

現代のデジタルコンピュータはさまざまな方法で私たちの生活を変えましたが、それらを構築する技術にはまだ改善の余地があります。大量のデータや人工知能などの技術によって計算ワークロードが増大し続けるにつれて、より強力なコンピューティングテクノロジーが最も重要になります。

最新のデジタルコンピュータの2つの主要な柱は、電子トランジスタとフォンノイマン型コンピュータアーキテクチャです。フォンノイマンアーキテクチャは、ストレージや処理などのコンピューティングタスクの物理的な分離を確立しましたが、トランジスタは、デジタルコンピュータの基本的な構成要素です。ますます小さなチップにこれまで以上に多くのトランジスタを詰め込むことで、NASAが月に最初の人を着陸させるために使用した大型コンピュータよりも桁違いに高い計算能力を備えたスマートフォンのようなデバイスを構築するようになりました。

しかし、これらの発明のどれもが永遠に私たちと一緒にいることが保証されていません。実際、近年、根本的に異なるコンポーネントやアーキテクチャへの関心のルネッサンスを目の当たりにしています。コンピューティングの未来は、AIに合わせたハードウェア、インメモリ、アナログ、および量子コンピューティングで構成される可能性があります。 IBMでは、研究者はこの種の新しいテクノロジーを長年にわたって調査しており、将来の情報処理インフラストラクチャーを強化するためにどのような物理的概念を利用できるかを幅広く調査しています。

IBM Research –チューリッヒチーム:(左から右へ））Fabio Scafirimuto、ThiloStöferle、Darius Urbonas、Rainer Mahrt

現在、チューリッヒのIBM Research Labのチームは、Skolkovo Institute of Science and Technology andSouthamptonのPavlosLagoudakis教授の研究所のパートナーと協力しています（European Horizon-2020トレーニングネットワークSYNCHRONICSのフレームワーク内で確立されたコラボレーション）は、室温で動作可能な初のカスケード可能な全光トランジスタの構築に成功しました。チームは、有機半導体ポリマーの材料特性を活用することでこれを達成しました。この材料に基づいて、入ってくる光信号（レーザービーム）のオンとオフを切り替えたり、別のレーザービームで増幅したりできるマイクロキャビティが設計されました。

この作品は、査読付きジャーナルNaturePhotonicsの最新版の表紙に掲載されています。

重要な理由

光だけで情報を操作する全光コンポーネントは、はるかに高速なスイッチングと論理演算を可能にするだけでなく、量子マイクロ波光変換やブラインド量子コンピューティングからの「フライングキュービット」のルーティングなどの新しいアプリケーションのビルディングブロックを提供します。しかし、そのような全光学部品を構築することは非常に困難です。そして実際、全光コンピュータを作るための努力は約50年前からありました。

光信号を別の光信号に切り替えたり増幅したりするには、相互作用を媒介する材料が必要です。光ビームが真空中で相互作用しないのは、光ビームの量子的性質だけです。私たちのトランジスタでは、媒介部分は励起子-ポラリトンとして知られている準粒子によって行われます。それらは、ヴッパータール大学の長年のパートナーであるUllrich Scherf教授によって提供された有機半導体（メチル置換ラダー型ポリ-[パラフェニレン]またはMeLPPP）で発生します。 2つの高反射ミラーの間に35ナノメートルの薄さのMeLPPP層を配置して、レーザーを使用して励起子-ポラリトンを生成する光共振器を形成しました。励起子-ポラリトンは、励起子（電子正孔対）と光子の重ね合わせで構成されます。そのため、私たちのデバイスは有機ポラリトントランジスタのカテゴリに分類されます。

Pavlos Lagoudakis、スコルコボ科学技術大学、大学サウサンプトン大学

私たちのトランジスタは、周囲条件で動作する最初の種類であるだけでなく、わずか数マイクロメートルのデバイス長で前例のない6500倍の光信号増幅を提供します。これは、対応する無機物によって達成される増幅の330倍であり、論理ゲートにトランジスタを使用するために必要な条件であるカスケード接続を可能にします。実験では、私たちのデバイスは、光トランジスタでこれまでに観察された中で最高の正味光ゲイン（〜10 dB /マイクロメートル）も示しました。

さらに、当社のトランジスタはサブピコ秒範囲の超高速スイッチングを備えており、マルチテラヘルツスイッチング速度の点で以前の全光学デバイスに匹敵し、デバイスの動作に極低温冷却を必要としないという追加の利点があります。

重要なことに、私たちの有機ポラリトントランジスタは、実用的な目的に関連する、無機の対応物に存在する別の制限を取り除きます。無機ポラリトンマイクロキャビティでは、トランジスタ応答をトリガーするために使用されるポンプレーザーは、特定の角度でのみデバイスに向けられる必要があります。私たちの有機デバイスでは、ポンプレーザーの角度に特定の要件はありません。これにより、設定の形状にはるかに柔軟性があり、光学デバイスのファイバーピッグテーリングや統合平面回路の作成が可能になります。これをどのように達成したかを学ぶために読んでください。

専門家向け：どのように行ったか

私たちの資料では、励起子-ポラリトンのエネルギー状態は、空洞光子と励起子の強い光物質相互作用から生じる、いくつかのいわゆるポラリトン分岐によって与えられます。私たちの戦略は、励起子-ポラリトンのボソン性と有機半導体での強い振動励起の発生を利用して、励起子のアバランシェのような緩和を最も低いポラリトン分岐（基底状態）にトリガーすることで構成されていました。このビブロンを介したリラクゼーションチャネルは、私たちの材料の複数の内部転換チャネルを打ち負かすのに十分な強さであると予想しました。そして、私たちの期待は実験によって徹底的に確認されました。

真に巨大な増幅を実現する

最初のステップでは、ポンプレーザーを使用して大量の高温励起子を生成しました。このレーザーの波長を調整して、マイクロキャビティの下部ポラリトンブランチのちょうど1つ上の振電エネルギー量子のエネルギーを持つ励起子を生成しました。ここで利用した振電モードは、ポリマー内のリング状の芳香族ユニットが呼吸する肺に似た方法で収縮および拡張する「呼吸モード」に対応します。上で述べたように、私たちはポンプレーザー光子のエネルギーだけを気にする必要があり、それらの面内運動量成分は気にする必要はありませんでした。これは、私たちの材料の強く局在化した励起子の運動量分布が広く広がっているために可能です。つまり、無機マイクロキャビティに典型的な厳密な位相整合要件は、私たちのシステムには関係がなく、ほぼすべての角度でポンピングできます。

マウントされた円形ガラスチップ。有機ポラリトントランジスタ。

ポンプの励起密度を上げると、線形から非線形の領域への遷移が観察され、しきい値密度は約82μJcm^-2 になりました。。しきい値を下げ、励起子のポラリトン基底状態への緩和をさらに加速するために、この基底状態に制御ビームをシードしました。このシードは、制御ビームの励起密度が約20 nJ cm ^-2 で一定に保たれているにもかかわらず、緩和プロセスの高速化に非常に効果的であることが証明されました。、非共振ポンプよりも3桁以上弱い。基底ポラリトン状態をシードすることにより、ポラリトン凝縮のしきい値がほぼ2倍低くなり、同じ非共鳴光励起密度の下で励起子からポラリトンへの緩和率が50倍に増加しました。

超高速全光スイッチング

サブピコ秒のスイッチング時間は、有機半導体に固有の超高速励起子緩和ダイナミクスと、デバイスのサブピコ秒キャビティ寿命の組み合わせのおかげで達成されました。私たちのセットアップでは、ポンプビームは制御ビームによってゲートされるアドレス状態を形成しました。制御ビームのスイッチングエネルギーを1pJに維持し、17 dBの最大消光比（「1」状態と「0」状態の間の強度比として決定）を達成しました。 2つの論理状態を切り替えるための応答時間は、約500フェムト秒でした。

最後に、2段カスケード増幅を実装することにより、カスケード可能性に対する有機ポラリトントランジスタの可能性を示しました。私たちのスキームでは、最初のステージの凝縮液放出（アドレス1）は「チップ」にリダイレクトされ、2番目のポンプによってさらに増幅されます。さらに、カスケード増幅の概念を採用して、単一のポンプ-ダブルプローブ光学セットアップを利用して、同じ「チップ」上に3つのポラリトントランジスタを結合することにより、ORおよびAND論理ゲートの動作を示しました。

アントンバラニコフ、スコルコボ科学技術研究所およびアントンサウサンプトン大学スコルコボ科学技術研究所、Zasedatelev

要約

私たちの実験は、周囲条件での有機マイクロキャビティ内のビブロン媒介の動的ポラリトン凝縮を示し、全光ポラリトン増幅、サブピコ秒の時間スケールでのスイッチング、カスケード可能性、ORおよびAND論理ゲート操作を可能にします。アドレス状態を効率的に制御することで、「低」と「高」の論理レベルを超高速の過渡応答で確実に切り替えることができ、構造の巨大な正味ゲインにより、マイクロメートルスケールで記録的な光増幅が実現します。

有機マイクロキャビティで最近観察された摩擦のないポラリトンの流れと組み合わせた動的ポラリトン凝縮の開発された原理[Lerarioet al。、Nat。物理学2017]、超高速、全光、論理操作性を備えたオンチップ回路への道を開きます。強力なポラリトン-ポラリトン相互作用をさらに活用できれば、無機マイクロキャビティで今年初めに重要な進歩が示されました[Delteil et al。、Nat。マット。 2019およびMunoz-Matutanoet al。、Nat。マット。 2019]、そのようなトランジスタはわずか数個の光子で動作することができ、それによって必要なスイッチングエネルギーをアトジュール領域に大幅に下げることができます。

室温有機ポラリトントランジスタ Anton V. Zasedatelev、Anton V. Baranikov、Darius Urbonas、Fabio Scafirimuto、Ullrich Scherf、ThiloStöferle、Rainer F. Mahrt＆Pavlos G. Lagoudakis、 Nature Photonics、第13巻、378〜383ページ（2019）

異なる電荷状態のイメージング分子銅原子の心に合わせて

ナノマテリアル