Помимо прямого энергосбережения, коммутатор не требует охлаждения и работает со скоростью 1 триллион операций в секунду, что в 100–1,000 раз быстрее, чем современные коммерческие транзисторы.
В устройстве используются два лазера, которые устанавливают свое состояние на «0» или «1» и переключаются между ними. Очень слабый управляющий лазерный луч используется для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого требуется всего несколько фотонов в управляющем луче, что обеспечивает высокую эффективность устройства.
Переключение происходит внутри микрополости - органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажатого между неорганическими структурами с высокой отражающей способностью. Микрополость построена таким образом, чтобы как можно дольше удерживать входящий свет внутри, чтобы способствовать его взаимодействию с материалом полости.
Эта связь легкого вещества составляет основу нового устройства. Когда фотоны сильно соединяются с связанными электронно-дырочными парами - так называемыми экситонами - в материале полости, это приводит к появлению короткоживущих сущностей, называемых экситон-поляритонами, которые являются своего рода квазичастицами, лежащими в основе работы переключателя.
Когда лазер накачки - более яркий из двух - светит на переключатель, это создает тысячи идентичных квазичастиц в одном и том же месте, образуя так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1». Устройство.
Чтобы переключаться между двумя уровнями устройства, команда использовала управляющий лазерный импульс, засевающий конденсат незадолго до прихода лазерного импульса накачки. В результате он стимулирует преобразование энергии лазера накачки, увеличивая количество квазичастиц в конденсате. Большое количество частиц в нем соответствует состоянию «1» устройства.
Исследователи использовали несколько настроек, чтобы обеспечить низкое энергопотребление. Во-первых, эффективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового полимера.
Уловка заключалась в том, чтобы согласовать энергетический зазор между состояниями накачки и состоянием конденсата с энергией одного конкретного молекулярного колебания в полимере.
Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны для настройки лазера и внедрить новую схему измерения, позволяющую обнаруживать конденсат за один проход.
В-третьих, управляющий лазер, засевающий конденсат, и схема его обнаружения были согласованы таким образом, чтобы подавлять шум от «фонового» излучения устройства.
Эти меры максимально повысили уровень отношения сигнал / шум устройства и предотвратили поглощение избыточной энергии микрополостью, которая могла бы служить только для его нагрева за счет молекулярных колебаний.