Belangrijkste leerpunten
- Onderzoekers zeggen dat een doorbraak in het gebruik van licht om informatie te verzenden kan leiden tot gadgets met een extreem laag stroomverbruik.
- De onderzoekers gebruikten een nieuw soort halfgeleider om kwantumdots te maken die gerangschikt waren als een eierdoos.
- Het nieuwe onderzoek is een van de vele nieuwe technologieën die apparaten met een ultralaag stroomverbruik mogelijk maken.
Een recente doorbraak in het verzenden van informatie met behulp van licht zou kunnen leiden tot gadgets met een extreem laag stroomverbruik. Onderzoekers demonstreerden hoe ze een kwantumeffect, bekend als niet-lineariteit, konden gebruiken om zwakke lichtsignalen te wijzigen en te detecteren. De ontwikkeling zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt in persoonlijke elektronische apparaten. Maar verwacht niet binnenkort een kwantumgadget in Best Buy te zien. “De aanpak die in dit artikel wordt beschreven, is relevant en opwindend, maar lijkt verre van implementatie”, zei Scott Hanson, de oprichter en chief technology officer van Ambiq, een bedrijf dat gespecialiseerd is in energiezuinige apparaten, in een e-mailinterview . “De chips die in de nieuwste gadgets van vandaag worden gebruikt, zijn gebaseerd op ongeveer dezelfde op silicium gebaseerde ‘schakelaars’ die al tientallen jaren bestaan. Zelfs kleine veranderingen in de manier waarop deze chips worden vervaardigd, nemen vele jaren in beslag.”
Kwantumeffecten leiden tot ontdekking
De onderzoekers gebruikten een nieuw soort halfgeleider om kwantumdots te maken die gerangschikt waren als een eierdoos. Het team produceerde dit energielandschap van een eierdoos met twee halfgeleiderschilfers, die als tweedimensionale materialen worden beschouwd omdat ze zijn gemaakt van een enkele moleculaire laag, slechts enkele atomen dik. Tweedimensionale halfgeleiders hebben kwantumeigenschappen die heel anders zijn dan grotere brokken, en kunnen worden gebruikt in apparaten met een laag vermogen. Om dit duurzaam te laten zijn, moeten we een manier vinden om de levensduur van de batterij te verlengen, wat betekent dat we elektronica met minder stroom moeten laten werken. “Onderzoekers hebben zich afgevraagd of detecteerbare niet-lineaire effecten kunnen worden volgehouden bij extreem lage energieniveaus – tot aan individuele fotonen. Dit zou ons bij de fundamentele ondergrens van energieverbruik bij informatieverwerking brengen”, zegt Hui Deng, een natuurkundeprofessor en senior auteur van de papier erin Natuur het beschrijven van het onderzoek, zei in een persbericht. Een belangrijke uitdaging die de onderzoekers moesten overwinnen, was hoe ze de kwantumstippen konden beheersen. Om de stippen als een groep met licht te besturen, bouwde het team een resonator door onderaan één spiegel te maken, de halfgeleider erop te leggen en vervolgens een tweede spiegel bovenop de halfgeleider te plaatsen. “Je moet de dikte heel strak regelen, zodat de halfgeleider zich maximaal in het optische veld bevindt”, zei Zhang Long, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Deng en eerste auteur van het artikel, in het persbericht. De nieuwe 2D-halfgeleiders zouden kwantumapparaten op kamertemperatuur kunnen brengen in plaats van de extreme kou die momenteel vereist is. “We naderen het einde van de wet van Moore”, zei Steve Forrest, een technisch professor en co-auteur van het artikel, verwijzend naar de trend van de dichtheid van transistors op een chip die elke twee jaar verdubbelt, in het persbericht. “Tweedimensionale materialen hebben veel opwindende elektronische en optische eigenschappen die ons in feite naar dat land voorbij silicium kunnen leiden.” Als het onderzoek van Deng loont, kunnen Ultra-Low Power Devices (ULPD) van enorm voordeel zijn voor gebruikers, zei Charlie Goetz, CEO van Powercast, een draadloos energiebedrijf, in een e-mailinterview. “Ze zullen het mogelijk maken om alomtegenwoordige IoT-netwerken te configureren en uit te rollen. Deze zullen op hun beurt AI voeden, die vervolgens de hoeveelheid input kan omzetten in kwaliteitsoutput”, voegde hij eraan toe.
“ULPD’s zullen de faciliterende factor zijn die groenere, veiligere, efficiëntere slimme steden van de toekomst zal aandrijven.”
Het verkennen van vele wegen naar laag vermogen
Onderzoekers onderzoeken een groot aantal andere technologieën die apparaten met ultralaag vermogen mogelijk kunnen maken. “Er zijn de afgelopen jaren indrukwekkende vorderingen gemaakt op het gebied van System on a Chip (SoC), ” zei Goetz. “Deze apparaten met een laag vermogen kunnen jarenlang op een batterij werken en, nog belangrijker, kunnen draadloos op afstand worden gevoed met behulp van radiofrequenties of in sommige gevallen infrarood.” De mensheid zwemt in batterijen van smartphone tot brandalarm, zei Hanson. “Dit wordt snel onhandelbaar nu onze kleding, huizen en de steden om ons heen allemaal ‘slim’ en ‘verbonden’ worden,” voegde hij eraan toe. “Om dit duurzaam te maken, moeten we een manier vinden om de levensduur van de batterij te verlengen, wat betekent dat elektronica met minder stroom moet worden gebruikt. Technologieën die dit doel van ‘minder stroom verbruiken’ bereiken, zijn van cruciaal belang.”
