Stel je een computer voor die niet alleen je ochtendkoffie kan zetten vóór je wakker wordt, maar dit ook nog een miljoen keer sneller doet dan je huidige laptop… Wetenschappers hebben nu een doorbraak bereikt die computers mogelijk maakt waar zelfs sciencefiction schrijvers van zouden blozen. Lasers in plaats van elektronica: ontdek wat dit betekent voor de toekomst van ons digitale leven!
Het begin van een nieuw tijdperk: lasers als logische poorten
In circuits vol elektrische spanning en minuscuul kleine onderdelen hebben onderzoekers iets bijna magisch voor elkaar gekregen. Door lasers in elektronische schakelingen te gebruiken, zijn ze erin geslaagd een volledig nieuw soort logische poorten te creëren. En deze poorten zouden niet zomaar een beetje sneller kunnen zijn, maar tot wel een miljoen keer sneller dan de logische poorten die nu in jouw computer verstopt zitten. Adieu, zandlopertje op je scherm!
Volgens een verklaring van de Universiteit van Rochester was het ontwikkelen van elektronica en informatieverwerking op extreem korte tijdschalen – zo snel als de natuurwetten toestaan – al lang een heilige graal in wetenschap en technologie. Met deze ‘laserpoorten’ zijn we dichterbij dan ooit.
Wat zijn logische poorten – en wat doen lasers hier ineens?
Voor wie zijn computers liever gebruikt dan ontleedt: logische poorten vormen de basisoperaties op bits, de fundamentele eenheid van informatie (dat eeuwige 0 of 1). Met logische poorten kun je bits bewerken en resultaten genereren, zoals 0 of 1.
- De “yes”-poort (ja-poort) geeft je hetzelfde bit als je erin stopt.
- De “not”-poort (nee-poort) levert het omgekeerde op.
Normaal gesproken zijn deze poorten stiekem verstopt in transistors. Transistors? Die kun je zien als elektronische schakelaars, met vier sleutelonderdelen: een kanaal waar de stroom doorheen gaat, een bron en een afvoer (die als twee ‘polen’ fungeren), en een rooster, dat de stroom regelt afhankelijk van de spanning die erop staat. Geen bewegende onderdelen, gewoon pure elektronica!
Hoe werkt deze gloednieuwe laserpoort?
Nu het spannende deel: de nieuwe poorten zijn gebaseerd op laserenergie. Lasers sturen elektronen aan binnen materialen en zo ontstaan nieuwe elektronische componenten. Deze techniek staat bekend onder de poëtische naam ‘lichtgolf-elektronica’. Toegegeven, tot nu toe had dat vooral theorieën en weinig praktisch nut – tot vandaag.
Lasers zijn inmiddels in staat om energiepulsen te genereren op het femtoseconde-niveau (dat is een miljoenste van een miljardste seconde – probeer het maar niet met de stopwatch). Door kleine draadjes van grafeen tussen goudcontacten te beschijnen, kunnen wetenschappers elektronen een bepaalde kant op sturen. Zo ontstaat een elektrische stroom sneller dan welke klassieke methode ook. Geliefd extraatje: door de vorm (of fase) van de laserpuls te veranderen, is het mogelijk het gedrag van de stroom volledig naar wens aan te passen.
En binnen dit gouden grafeenrijk ontstaan ook nog twee soorten elektrisch actieve ‘deeltjes’:
- ‘Echte’ ladingdragers: elektronen die na de puls blijven bewegen.
- ‘Virtuele’ ladingdragers: elektronen die enkel bestaan tijdens de laserpuls zelf. Snel maar vluchtig!
Het team ontdekte dat ze, door enkel de vorm van die laserpuls aan te passen, de stroom zo kunnen regelen dat maar één type drager actief is. Met andere woorden: ze kunnen beide soorten stromen onafhankelijk sturen. De droom van iedere elektronicus!
Op naar sneller rekenen: ‘bits’ van licht, maar nog even geen sciencefiction in huis
Dit biedt dan de mogelijkheid om een logische poort toe te wijzen: geef bijvoorbeeld de waarde 0 aan de ene drager, 1 aan de andere, en voilá – bliksemsnelle computerlogica. Volgens de onderzoekers kunnen deze logische poorten hierdoor tot een miljoen keer sneller werken dan bestaande technologie.
Zoals Ignacio Franco, geassocieerd professor in de scheikunde en natuurkunde te Rochester (en samen met promovendus Antonio José Garzón-Ramírez verantwoordelijk voor de theoretische kant van dit verhaal), stelt: “Dit is een prachtig voorbeeld van hoe fundamentele wetenschap tot nieuwe technologie kan leiden.”
Klinkt als sciencefiction? Nog heel even wel. Volgens Tobias Boolakee, die de experimenten leidde als promovendus aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), zal het zeker nog geruime tijd duren voordat we deze techniek in onze eigen chips terugzien. Maar goed, binnenkort weet je in ieder geval dat de elektronica van lichtgolven geen fabeltje is!
Tot slot: blijf dromen van antwoorden die zowel de wetenschap als je verbeelding prikkelen. Want misschien typ je dit over een paar jaar… met de snelheid van het licht!
