Fotonikeae
Pozdravljeni v aplikativno-tehnološki oddaji znanstvene redakcije Radia Študent. Tokrat jo namenjamo omejitvam elektronike in mimohodom, ki jih je že ubrala inovativna srenja, pa tudi tistim, ki jih zaenkrat šele slutimo.
Trenutno polprevodniška industrija vsaj približno še sledi Moorovemu zakonu - opažanju, da se število tranzistorjev v najbolj razširjenih mikročipih vsakih nekaj let podvoji. S tem je povezano tudi njihovo postopno zmanjševanje. Če so bili tranzistorji še v začetku devetdesetih veliki okoli mikrometer, so se do danes skrčili približno za stokrat, na okoli deset nanometrov. Na tej fronti sicer še vedno prihaja do tehnološkega napredka - tako so za prihodnja leta napovedani dizajni, veliki tri nanometre. Drugje pa so meje razvoja bolj ali manj dosežene. Frekvenca, s katero računska jedra opravljajo korake v svojih nalogah, se že dvajset let ne premika bistveno in še vedno znaša nekaj gigahercov. Več operacij na sekundo namesto tega opravi večje število računskih jeder.
V tej instanci je človeška iznajdljivost na videz trčila ob naravi lastno omejitev kot posledico izbire medija, s katerim opravljamo svoje račune. Izbrali smo pač prvo fizikalno polje in prvi način manipuliranja z njim, ki nam je bil na voljo. Odkrili smo elektrone in se jih naučili primitivno manipulirati z drugimi elektroni. Z ustvarjanjem električne napetosti elektrone silimo v gibanje, grobo in mehansko, milijardokrat v sekundi. Z boljšim poznavanjem naravnih polj pa se odpirajo druge možnosti za prenašanje informacij, in kot se spodobi, so nove že imanentno vsebovane v starih. Delci elektrike, elektroni, med seboj ne obračunavajo z udarci, pač pa se povezujejo prek elektromagnetnega polja in njegovih delcev - fotonov. V tem duhu v pričujoči oddaji torej: od elektronov do fotonov, od elektronike k fotoniki.
Vrnimo se na začetek. Kaj pravzaprav omejuje izvajanje logičnih operacij z uporabo elektrike? Odgovarja profesor Igor Muševič z Inštituta Jožef Stefan in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.
Nasprotno pa svetloba in fotoni med seboj ne trkajo, kar je istočasno prednost in tudi slabost.
Fotonika obljublja menjavo informacijskega medija, elektronov za fotone, v zameno za oteženo upravljanje z zapisanimi podatki. Tehnologija, opisana na ta način, v resnici ni nova: informacijo, zapisano v svetlobo, predvidoma spremljate prav v tem trenutku - bodisi prek radijskih valov bodisi prek optičnega kabla. V prvem delu oddaje se bomo posvetili nekaterim posebnostim te tehnologije. Zgledujoč se po elektronskih vezjih, si lahko zaželimo zasnovati njihovo svetlobno inačico - namesto elektronskega čipa bi imeli fotonski čip, ki bi znal računati s fotoni brez pretvarjanja v elektronske informacije.
Kot smo slišali v izjavi, moramo za to fotone voditi v poseben medij. O tekočih kristalih boste več slišali v drugem delu oddaje, v prvem pa se posvečamo fotonskim čipom: kako jih izdelujemo, v kakšne namene jih uporabljamo danes in v kakšne jih bomo v prihodnje.
Izdelava fotonskega procesorja v principu najprej zahteva primeren medij, ki lahko prenaša snop svetlobe. Primer tega so steklo in iz njega izdelani optični kabli. Ti delujejo na principu popolnega odboja: ker so optično gostejši od svoje okolice, se svetloba rada zadrži v njih. Vendar to deluje le do določene meje - če bi v optičnem kablu naredili oster pregib, bi na tistem mestu svetloba puščala v okolico. Zato optična napeljava v nasprotju z električnimi vodniki potrebuje položne ovinke. Steklo pa ni edina prozorna snov. Če svetlobo pogledamo v širšem frekvenčnem območju, zlahka najdemo snovi, ki so za vidno svetlobo neprebojne, za denimo ultravijolično svetlobo pa povsem prozorne.
Tehnološko zanimiv je silicij, saj je prozoren za infrardečo svetlobo z valovno dolžino, ki znaša približno mikrometer, hkrati pa ima visok lomni količnik oziroma optično gostoto. Napredek elektronske tehnologije, ki jo sicer taisti material zanima zaradi svojih elektronskih, ne pa optičnih lastnosti, je pripeljal do načinov tiskanja prefinjenih mikroskopskih vzorcev v siliciju - mreže vodnikov svetlobe in vmesnih komponent oziroma vrat, fotonskih inačic tranzistorjev. Tovrstni fotonski čipi so trenutno v nekaterih panogah pravzaprav v masovni uporabi. Več nam pove profesor Wim Bogaerts z Univerze v Gentu.
Kot rečeno, izdelava trenutno razširjenih silikonskih fotonskih čipov temelji na obstoječih praksah elektronske industrije.
Kako velike pa so fotonske strukture na silicijevi površini?
Poslušate oddajo Frequenza della scienza na Radiu Študent, v kateri smo se že spoznali s fotonskimi vezji. Kaj pa lahko z njimi počnemo? Vsak medij prenašanja informacije tudi omejuje načine upravljanja z njimi in tako je jasno, da silicijeva fotonska vezja ne morejo opravljati povsem enake funkcije kot navadni elektronski procesorji. Vendar: v fotonskem vezju imajo informacijske operacije, denimo seštevanje dveh števil, specifične fizične implementacije. To so ponavadi specifična sosledja integriranih optičnih elementov. Ta so posebno primerna za nekatere vrste operacij, zato lahko fotonski čip nekatere vrste računov opravi na posebno eleganten način. V velikem številu računalniških algoritmov imajo posebno mesto linearne operacije - računi, ki zadevajo samo množenje s konstanto in seštevanje. Rezultatu take operacije rečemo linearna kombinacija. Denimo 5 krat a plus 19 krat b. Nasprotno pa a na kvadrat ni linearna operacija. Objektu z dvema elementoma, a in b, rečemo dvodimenzionalni vektor. Vektorji so osnovni objekti, na katerih delujejo linearne operacije.
Za kakšen način računanja so torej posebej pripravna fotonska vezja? Odgovarja Bogaerts.
Kako velik pa je lahko vhodni vektor?
Linearnost pa je na poseben način vgrajena tudi v najosnovnejša načela naravnega sveta. V kvantni mehaniki opazljivke postanejo inherentno linearni objekti, vsa dinamika pa postane linearna in unitarna. Ta bistvena razlika glede na vsakdanje ali klasične procese otežuje razumevanje dogajanja na razsežnostih elektronov in drugih osnovnih delcev. Edini način, na katerega jih zares zaobjamemo, je posluževanje kvantne simulacije ali kvantnega računalnika, ki informacije namesto v frekvenčno oziroma amplitudno modulacijo shrani v kvantna stanja osnovnih delcev. Temu rečemo kvantna informacija, njena enota pa je kubit.
Četudi je trenutno kot najbolj obetavna v ospredju tehnologija superprevodnih kubitov, s katerimi je oktobra leta 2019 tako imenovano kvantno premoč naznanila skupina znanstvenikov in znanstvenic pri Googlu, je prav tako zelo obetavno področje kvantne optike. Tu kvantno informacijo vsebujejo prav fotoni, ta upodobitev pa je zadnja leta tudi teren vedno bolj impresivnih demonstracij kvantne teleportacije. Kvantno računalništvo s fotoni pa lahko dosežemo ravno v fotonskih vezjih.
V trenutnem zeitgeistu se morda nelagodje pred prihodnostjo bolj kot v možnosti kvantnega računalništva izraža v diskurzu o spajanju človeka in računalnika. Čeprav smo še nedavno v znanstveni fantastiki brali o žicah v laseh ali gledali, kako se Lain projicira v elektronsko Omrežje z uporabo svojega digitalnega elektronskega računalnika, bo prvo razširjeno vezje v ljudeh morda fotonsko.
Poglejmo v prihodnost še skozi drugi okular. Trenutna tehnologija fotonskih čipov, kot smo že slišali, ni povsem ekvivalentna dobri stari elektroniki. V nekaterih pogledih pa se razvoj fotonske tehnologije po njej zgleduje. Med elektronskimi vezji je v zadnjem desetletju na pomembnosti močno pridobila tehnologija programabilnih integriranih vezij s tujko field programmable gate array ali kratico FPGA. Podobno postaja mogoče tudi v fotoniki. Kako?
Fotonska vezja imajo po eni strani prihodnost v specializirani vlogi v kontekstu optičnih komunikacij, vendar z napredkom veščine upravljanja z optično občutljivimi materiali pridobivajo tudi bolj univerzalno poslanstvo. Kaj še lahko naredimo z njimi?
Tu se nahaja zareza med znanostjo fotoniko in tehnologijo fotoniko, in sicer tako ostra, da se področje v uradni govorici celo deli na fotoniko in kvantno optiko. Če smo v prvem delu današnje Frequenze upravljali s silikonsko polovico rezila fotonike, bomo kmalu prestopili na tekočekristalno plat. Ostanite z nami.
Še vedno ste na valovih Radia Študent in spremljate oddajo Frequenza della scienza. Nazadnje smo govorili o perspektivi fotonskih vezij in morda začeli sanjariti o svetlobnih računalnikih iz poljubne znanstvenofantastične zgodbe. Zdaj se bomo za trenutek vrnili v fiziko kondenzirane snovi in pogledali, kaj je tehnologija, ki nam omogoča hkratno gledanje serij na Netflixu ter pisanje seminarskih nalog. Nekje na tej poti se bomo srečali s prej zastavljeno zgodbo.
Navadno, ko govorimo o agregatnem stanju snovi in imamo v mislih delitev na trdnine, tekočine in pline, pozabimo na vrsto zanimivih pojavov, ki jih proučuje fizika mehke snovi. Predmet te vede so tudi dvokomponentni materiali, denimo tisti, sestavljeni iz mikrometrskih delcev v topilu. Če so delci topljenca v primerjavi z delci topila zelo veliki, ima lahko snov viskoelastične in nenewtonske lastnosti. Prisotnost topila pa delcem omogoča premikanje, s tem pa samoorganiziranje, rast in celjenje nastalih struktur. Med drugim v fiziki mehke snovi obravnavamo koloide, polimere, pene, gele in sipke snovi - med slednje spada denimo pesek -, v nadaljevanju pa si bomo podrobneje ogledali tekoče kristale.
Da si bomo lažje predstavljali, kaj so tekoči kristali, ponovimo osnovnošolsko razumevanje tekočin in trdnin. Tekočine so izotropne snovi, kar je posledica nenehnega naključnega in neurejenega gibanja molekul. To pomeni, da so njihove lastnosti enake, ne glede na to, v kateri smeri jih izmerimo. Na drugi strani pa so kristali trdne snovi z gradniki, razporejenimi v urejene periodične strukture, kar jim daje anizotropne lastnosti. Tako je pri nekaterih kristalih hitrost zvoka odvisna od tega, v katero smero smer na strukturo pošljemo valovanje.
Za razliko od trdnin so tekoči kristali sestavljeni iz organskih molekul. Molekularni gradniki niso okrogli, temveč so paličastih oblik, kar vpliva na posebno urejenost, ki ji pravimo orientacijski red. To urejenost si lahko predstavljamo kot jato majhnih rib, ki plavajo skupaj in so s telesi razporejene praktično vzporedno ena poleg druge. Njihove pozicije v jati so naključne in neurejene, kar pa je lastnost tekočin. S to prispodobo smo opisali nematike. Molekule v smektikih pa so tako kot v nematski fazi obrnjene bolj ali manj v isto smer, z omejitvijo gibanja znotraj plasti, ki zato drsijo ena mimo druge. Zaradi te dodatne urejenosti so smektiki bolj podobni trdninam kot nematiki. Fleksibilnost posamezne molekule v plasti daje tudi značilno elastičnost biološkim membranam.
Tekoče kristale delimo na na termotropne, pri katerih so lastnosti sistema odvisne od temperature, ter liotropne, pri katerih je koncentracija tekočega kristala ključen parameter pri prehodu v tekočekristalno stanje. Kako se anizotropija pojavi pri tekočih kristalih, nam na primeru svetlobnega valovanja pojasni profesor Igor Muševič.
Optično anizotropijo tekočih kristalov izkoriščajo vsi zasloni, znani pod angleško kratico LCD. Zaslon je sestavljen iz plasti tekočega kristala, tanke desetino debeline človeškega lasu. Plast je zaprta med tanki stekleni plošči, prepredenimi z zarezami, ki molekulam vsilijo orientacijo, čemur pravimo sidranje. Poleg tega sta stekli prekriti s plastjo prozornih prevodnih elektrod. Ob odsotnosti električnega polja se molekule zaradi sidranja na ploščah razporedijo v urejeno strukturo, ko pa polje vključimo, se zavrtijo v smeri električnega polja in s tem spremenijo optične lastnosti na tistem območju. Ponavadi je ob odsotnosti polja stanje prozorno, ko pa je prižgano, je črno. Tako smo ustvarili piksel.
Seveda to ni celotna zgodba o zaslonih LCD. Tekoči kristali sami ne proizvajajo nobene svetlobe, zato moramo osvetlitev dobiti od drugod. Svetlobo iz okolice izkoriščajo naprave, pri katerih je zadnja steklena plošča odbojna. To najdemo na primer pri raznih urah, kalkulatorjih in pa seveda tudi v konzoli Game Boy. Nanje v temi brez dodatnega svetila ne moremo gledati. Pri računalniških ekranih se vir svetlobe nahaja za zadnjo stekleno ploščo. Dandanes se v te namene uporabljajo svetleče diode z angleško kratico LED, in sicer bodisi le na obodu zaslona bodisi za vsakim pikslom.
V tem trenutku na tržišču zaslonom LED najbolje konkurira razvoj zaslonov z organskimi svetlečimi diodami s kratico OLED. OLED je sestavljen iz plasti elektroluminiscentne snovi, ki za oddajanje svetlobe potrebuje le električne signale. V razvoju pa so tudi zasloni LCD s tehnologijo QLED, ki bi za osvetlitev izkoriščali iz kvantnih pik izsevano svetlobo.
Poslušate oddajo Frequenza della scienza na 89,3 MHz. V današnji oddaji govorimo o svetlobni alternativi elektronskih vezij, o področju na katerem se v zadnjem času veliko dogaja glede razvoja tekočekristalnih struktur, več o tem pa v nadaljevanju.
Nazadnje smo govorili o optični anizotropiji tekočih kristalov, še ena zanimiva optična lastnost pa je pojav defektov. Zagotovo ste kdaj videli sliko tekočega kristala, polnega različnih elipsoidnih, paraboličnih, hiperboličnih oblik, živahnih barv in temnih območij. Vzorci so posledica topoloških defektov. Ti so podobni defektom, ki se pojavljajo tudi v kristalih, le da so tu posledica nepravilnosti v poravnanosti paličastih molekul na daljših razdaljah. Vzrok za nepravilnosti je lahko sidranje na površine, med katere je tekoč kristal ujet, velikokrat pa nastanejo tudi, ko izotropno tekočino na hitro zamrznemo v tekočekristalno fazo in se vse molekule ne uspejo poravnati v isto smer. Vzorce opazimo s polarizatorjem, temne lise in črte pa pomenijo, da so v tistih delih molekule poravnane povsem vzporedno ali pa pravokotno na smer polarizatorja.
Za zdaj smo predstavili samo sisteme tekočih kristalov, ujete med plošče stekla. Znanstveniki in znanstvenice pa so že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja opazili, da ob stiku tekočih kristalov z vodo dobimo kapljice. V določenih pogojih se začnejo te kapljice spreminjati in spontano rasti v zanimive sisteme. Možnosti izkoriščanja tega pojava nam predstavi doktor Igor Muševič.
Kaj pa so slabosti trenutnih valovnih vodnikov?
V prvem delu oddaje smo slišali, da je križanje mikroelektronike s fotonskimi elementi iz trdnih snovi eden možnih pristopov k naprednim svetlobnim vezjem, vendar pa se že sedaj zavedamo njegovih omejitev. Trdnine so toge in jih težko preoblikujemo, kaj šele, da bi same rasle v bolj zapletene strukture ali da bi se lahko zacelile. Na nanometrski ravni je trdne snovi težko povsem zgladiti, kar pomeni odstopanja od popolnega odboja in izgube v prenosu informacij.
Vseh teh težav pa pri tekočinah ni. Mehke snovi imajo sicer slabo električno prevodnost, vendar imajo odličen optični odziv in, kot smo slišali sogovorca, se lahko same preoblikujejo ter zrastejo v željene optične elemente. V fotonskih vezjih moramo zagotoviti oddajanje koherentne svetlobe na majhnih skalah, njen kontroliran pretok in detekcijo. Potrebujemo torej tri vrste optičnih elementov: mikrolaserje, mikroresonatorje in optične vodnike.
Strukture iz tekočih kristalov so narejene iz termotropskih tekočih kristalov, razpršenih po tekočini. Iz njih se tvorijo sferične kapljice tekočega kristala, ki se obnašajo kot samostojni fotonski elementi mikrometrskih velikosti. Taka kapljica spominja na optični mikroresonator, ki zaradi popolnega odboja zadrži svetlobo v svoji majhni notranjosti. Površino kapljice napenja površinska napetost, zato je zelo gladka in omogoča svetlobi velike ojačitve. Podobno lahko s kapljico v vodi in dodatkom snovi, zaradi katere se molekule obrnejo tangentno, ustvarimo večplastne krogelne strukture, ki oddajajo svetlobo radialno v vse smeri. Tako v osnovi ustvarimo mikrolaser.
Velikost kapljice pa natančno določa valovno dolžino svetlobe, ki jo ojačuje. Tako lahko iz zaznane valovne dolžine tudi razberemo, iz katere kapljice izhaja signal. Predlog uporabe tega principa je sledeč: v rakave celice vstavimo kapljične mikrolaserje, ki so čisto spontano nekoliko različnih velikosti. Nato bi lahko sledili celicam pri njihovem morebitnem potovanju po telesu, pri čemer bi točno vedeli, kje se nahajajo posamezne celice.
Na koncu so tu še strukture, ki rastejo v vodi z dodatnim surfaktantom. To je snov, ki znižuje površinsko napetost in igra pomembno vlogo pri stabilizaciji nastanka kapljic in njihovem sestavljanju v večje strukture. V taki mešanici se molekule tekočega kristala poravnajo z daljšimi osmi pravokotno na površino verige. Dobimo element s skoraj konstantno debelino, valjasto obliko in popolno notranjo zgradbo, kar naredi take samorastoče strukture idealne kandidate za optične vodnike.
Elementi se zaradi svoje tekočekristalne narave sami zacelijo, rastejo in prepletajo, podobno kot to počnejo biološke celice. Tekočekristalna vezja so povsem biokompatibilna in zato tudi razgradljiva, potrebujejo veliko manj časa za izgradnjo, kot bi ga potreboval ekvivalentni element iz trdne snovi, z nadaljnjimi raziskavami pa bi lahko odkrili še veliko uporabnih in zanimivih tekočekristalnih struktur.
Tako smo prišli do druge perspektive za prihodnost fotonike, vendar tudi do konca današnje Frequenze. Nikakor pa se nismo približali robu človeške zmožnosti razumevanja in uporabljanja različnih snovi in polj, ki so nam na voljo za vedno nove namene. Pridružite se nam spet naslednjo nedeljo, ko bomo raziskovali, kako narediti računalniško vezje tudi iz drugih vrst delcev: kvarkov, gravitonov in celo nevtrinov!
Laser si je v oči posvetil Martin. Vajenka Tina pa je laser raje usmerila v organske optične vodnike.
Lektorirala je Eva.
Brala sva Špela in Lovro.
Tehniciral je Linč.
Dodaj komentar
Komentiraj