研究人员研发帮助解决速度和能源问题的材料 为更快的计算铺平道路

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剑桥大学卡文迪许实验室领导的一项研究发现了一种可以帮助解决速度和能量问题的材料,这是未来计算机面临的两大挑战。


研究领域的光学计算,通过光而不是电计算超越当今的计算机的局限性是移动快,但障碍仍在发展中光开关、光的过程会很容易的”和“关闭”,反射或发射光随需应变。

研究人员研发帮助解决速度和能源问题的材料 为更快的计算铺平道路

这项发表在《自然通讯》杂志上的研究表明,一种被称为Ta2NiSe5的材料在受到短激光脉冲冲击时,可以在千万亿分之一秒内在窗户和镜子之间切换,为未来计算机的超快切换铺平了道路。


这种材料看起来像一大块铅笔芯,在室温下起着绝缘体的作用,这意味着当红外光照射到这种绝缘状态的材料时,它就像一扇窗户一样直接穿过。然而,当加热时,这种材料就会变成金属,像镜子一样反射光线。


我们知道Ta2NiSe5在加热时可以在窗户和镜子之间切换,但加热一个物体是一个非常缓慢的过程,卡文迪许实验室哈丁大学讲师、该研究的负责人阿克谢·拉奥(Akshay Rao)博士说,我们的实验表明,短激光脉冲也可以在10-15秒内触发这种‘翻转’。这比我们现在计算机上的开关快一百万倍。


研究人员正在研究这种材料的行为,以证明一种名为“激子绝缘体”的新物质的存在。自20世纪60年代建立理论以来,这种物质一直在实验中具有挑战性。


Rao说,这种激子绝缘相在很多方面看起来像一个非常普通的绝缘体,但区分不寻常绝缘体和普通绝缘体的一种方法是看它变成金属需要多长时间。”“对于普通物质来说,从绝缘体变成金属就像融化一个冰块。原子本身移动位置和重新排列,使其成为一个缓慢的过程。但在一个激子绝缘体中,这可能发生得非常快,因为原子本身不需要移动来切换相。如果我们能找到一种方法来测量这种转变发生的速度,我们就有可能揭开激子绝缘体的面纱。


为了做这些实验,研究人员首先使用一系列非常短的激光脉冲扰动材料,然后测量其反射如何变化。在室温下,他们发现,当Ta2NiSe5被强激光脉冲击中时,它立即显示出金属状态的特征,在时间尺度上成为一面镜子,其速度超过了它们能够分解的速度。这为Ta2NiSe5的激子绝缘特性提供了有力的证据。


同样来自卡文迪许实验室的第一作者Hope Bretscher说,这项工作不仅消除了这种材料的伪装,为其不寻常的量子力学行为开辟了进一步的研究,还突出了这种材料作为超快开关的独特能力。事实上,为了使光开关有效,它不仅必须快速地从绝缘阶段过渡到金属阶段,而且反向过程也必须快速。

研究人员研发帮助解决速度和能源问题的材料 为更快的计算铺平道路

我们发现,Ta2NiSe5迅速恢复到绝缘状态,比其他候选开关材料快得多。这种从镜像到窗口再到镜像的能力,对于计算应用程序来说非常诱人。


科学是一个复杂和不断发展的过程,我们认为我们已经能够使这个讨论向前迈出一步。我们现在不仅可以更好地了解这种材料的特性,而且还发现了它有趣的潜在应用。班加罗尔印度科学研究所的教授Ajay Sood说。


虽然使用Ta2NiSe5实际生产量子开关可能还有很长的路要走,但已经找到了一种新的方法来应对计算机速度和能源使用日益增长的挑战,这是一项令人兴奋的发展。


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