發(fā)明硅和鍺發(fā)光合金！制造光子芯片，將給計算機帶來革命性變化！

如果計算機使用光子而不是電子來傳輸數(shù)據(jù)，它們的性能會更好，耗電量也會更少?？茖W家們目前正在研究一種新的硅和鍺發(fā)光合金，以獲得光子芯片，這將給計算機帶來革命性的變化。光子，即構成光的粒子，已基本取代電子在通信網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)傳輸。光信號的高帶寬推動了電話系統(tǒng)、電視廣播和互聯(lián)網(wǎng)的巨大增長，然而，光子還沒有取代計算機中的電子。

使用光在處理器芯片及其互連中傳輸數(shù)據(jù)將大大提高計算機的速度（芯片內和芯片間的通信速度可以提高1000倍），同時降低它們運行所需的功率。先進的微處理器芯片可以包含數(shù)百億個晶體管，它們的銅電互連在運行時會產(chǎn)生大量的熱量。與光子不同，電子有質量和電荷。當它們流經(jīng)金屬或半導體材料時，它們被硅和金屬原子散射，導致它們振動并產(chǎn)生熱量。因此，供應給微處理器的大部分電力都被浪費了。

從硅中發(fā)光的挑戰(zhàn)

電子工業(yè)正準備在計算機芯片中使用硅，因為它具有優(yōu)越的電子性能和可用性。它是一種很好的半導體，是一種豐富的元素，和硅氧化物一樣，它也是玻璃和沙子的成分。然而，由于硅的晶體結構，它在處理光方面并不是很好。例如，它不能產(chǎn)生光子或控制其流量以進行數(shù)據(jù)處理?？茖W家研究了砷化鎵和磷化銦等發(fā)光材料，但它們在計算機中的應用仍然有限，因為它們沒有與當前的硅技術很好地結合在一起。

光電子芯片

來自歐洲的科學家在《自然》期刊上發(fā)表了一種新型的硅和鍺合金，它具有光學活性。荷蘭埃因霍溫理工大學的物理學家喬斯·哈弗科特(Jos Haverkort)說：這是第一步，我們證明了這種材料非常適合發(fā)光，而且它與硅兼容。下一步是開發(fā)一種硅兼容激光器，它將被集成到電子電路中，作為光電子芯片的光源，這是由歐盟FET計劃支持的SILAS項目最終目標。

該研究小組由埃因霍溫大學的埃里克·巴克斯(Erik Bakkers)領導，還包括來自德國耶拿和慕尼黑大學、奧地利林茨大學、英國牛津大學和瑞士IBM大學的研究人員。為了制造這種激光器，科學家們將硅和鍺結合在一個能夠發(fā)光的六邊形結構中，克服了硅的缺點，因為硅中的原子是以立方體形式排列。這是一個困難的項目，通過在六角鍺層上沉積硅原子來誘使硅采用六方結構的初步嘗試失敗了。

慕尼黑工業(yè)大學的喬納森·芬利(Jonathan Finley)解釋說：當硅生長在平面六角鍺上時，硅頑固地拒絕改變其立方結構。芬利通過測量產(chǎn)生的硅樣品光學性質，能夠通過這種不同尋常的硅鍺生長。然而，多年來，埃因霍溫大學研究小組已經(jīng)開發(fā)出了生長納米管的專業(yè)知識，并推斷在鍺平面上不起作用的東西，可能會在納米管的曲面上起作用，這一次事情解決了。

所做的是使用砷化鎵納米線，它有一個六角形的結構，所以有一個六角形的莖，研究人員在核心周圍創(chuàng)造了一個硅殼，它也有一個六邊形的結構。通過改變沉積在納米管上的硅和鍺的量，研究人員發(fā)現(xiàn)，當鍺的濃度超過65%時，這種六方合金能夠發(fā)光下一步是激光的演示，換言之，確定硅鍺合金如何將光作為激光放大和發(fā)射，并對其進行測量。

在硅鍺可以與硅基電子完全集成之前，有幾個懸而未決的問題需要解決：首先，這些設備必須與現(xiàn)有技術集成，這仍然是一個障礙。預計，未來量子計算機將使用低成本的硅基LED、光纖激光器、光傳感器和發(fā)光量子點等應用?？傮w而言，從電氣通信向光通信的轉變將推動許多領域的創(chuàng)新，從用于自動駕駛的激光雷達，到用于醫(yī)療診斷或實時空氣污染檢測的傳感器。

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博科園｜研究/來自：iCube Programme

研究發(fā)表期刊《自然》

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