Neben der direkten Stromeinsparung benötigt der Switch keine Kühlung und arbeitet mit 1 Billion Schaltvorgängen pro Sekunde, er ist zwischen 100 und 1,000 Mal schneller als die heutigen kommerziellen Transistoren.
Das Gerät ist auf zwei Laser angewiesen, um seinen Zustand auf „0“ oder „1“ zu setzen und zwischen ihnen umzuschalten. Ein sehr schwacher Kontrolllaserstrahl wird verwendet, um einen anderen, helleren Laserstrahl ein- oder auszuschalten. Es braucht nur wenige Photonen im Kontrollstrahl, daher die hohe Effizienz des Geräts.
Das Schalten erfolgt in einem Mikrohohlraum – einem 35 Nanometer dünnen organischen halbleitenden Polymer, das zwischen hochreflektierenden anorganischen Strukturen eingebettet ist. Die Mikrokavität ist so gebaut, dass einfallendes Licht so lange wie möglich im Inneren eingeschlossen bleibt, um seine Kopplung mit dem Material der Kavität zu begünstigen.
Diese Licht-Materie-Kopplung bildet die Basis des neuen Gerätes. Wenn Photonen stark an gebundene Elektron-Loch-Paare – auch Exzitonen genannt – im Material des Hohlraums koppeln, entstehen kurzlebige Einheiten, die Exziton-Polaritonen genannt werden, eine Art Quasiteilchen im Herzen der Schalterfunktion.
Wenn der Pumplaser – der hellere der beiden – auf den Schalter strahlt, entstehen tausende identische Quasiteilchen an der gleichen Stelle und bilden das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat, das die logischen Zustände „0“ und „1“ von kodiert das Gerät.
Um zwischen den beiden Ebenen des Geräts zu wechseln, verwendete das Team einen Kontrolllaserpuls, der das Kondensat kurz vor dem Eintreffen des Pumplaserpulses säte. Als Ergebnis stimuliert es die Energieumwandlung des Pumplasers und erhöht die Menge an Quasiteilchen am Kondensat. Die hohe Partikelmenge darin entspricht dem Zustand „1“ des Gerätes.
Für einen geringen Stromverbrauch sorgten die Forscher mit mehreren Optimierungen: Erstens wurde das effiziente Schalten durch die Schwingungen der Moleküle des halbleitenden Polymers unterstützt.
Der Trick bestand darin, die Energielücke zwischen den gepumpten Zuständen und dem Kondensatzustand an die Energie einer bestimmten Molekülschwingung im Polymer anzupassen.
Zweitens gelang es dem Team, die optimale Wellenlänge für die Abstimmung seines Lasers zu finden und ein neues Messschema zu implementieren, das die Erkennung von Kondensat in einem einzigen Schuss ermöglicht.
Drittens wurden der Kontrolllaser, der das Kondensat aussät, und sein Detektionsschema so aufeinander abgestimmt, dass das Rauschen der „Hintergrund“-Emission des Geräts unterdrückt wurde.
Diese Maßnahmen maximierten das Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts und verhinderten, dass ein Überschuss an Energie von der Mikrokavität absorbiert wurde, die nur dazu dienen würde, sie durch Molekularschwingungen aufzuheizen.