NatPhot: Новый шаг к революции в обработке данных — люминесцентные нанокристаллы

Ученые, в том числе исследователь химии из Университета штата Орегон, сделали ключевой шаг к более быстрому и энергоэффективному искусственному интеллекту и обработке данных в целом, открыв люминесцентные нанокристаллы, которые можно быстро переключать из светлого состояния в темное и обратно.

Необычайные возможности этих нанокристаллов по переключению и запоминанию информации могут однажды стать неотъемлемой частью оптических вычислений — способа быстрой обработки и хранения информации с помощью частиц света, которые перемещаются быстрее, чем что-либо во Вселенной, — говорит Артем Скрипка, доцент Научного колледжа OSU.

Исследование Скрипки и его коллег из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Колумбийского университета и Автономного университета Мадрида, опубликованное в журнале Nature Photonics, касается типа материала, известного как авалирующие наночастицы.

Наноматериалы — это крошечные кусочки материи размером от одной миллиардной до одной стомиллиардной доли метра, а аваланжирующие наночастицы отличаются крайней нелинейностью в своих светоизлучающих свойствах — они испускают свет, интенсивность которого может сильно увеличиваться при небольшом увеличении интенсивности лазера, который их возбуждает.

Исследователи изучали нанокристаллы, состоящие из калия, хлора и свинца и легированные неодимом. Сами по себе нанокристаллы KPb2Cl5 не взаимодействуют со светом, однако в качестве хозяев они позволяют гостевым ионам неодима более эффективно обрабатывать световые сигналы, что делает их полезными для оптоэлектроники, лазерных технологий и других оптических приложений.

Обычно люминесцентные материалы излучают свет, когда их возбуждает лазер, и остаются темными, когда его нет, — говорит Скрипка.

В отличие от них, мы с удивлением обнаружили, что наши нанокристаллы живут параллельной жизнью. При определенных условиях они демонстрируют своеобразное поведение: они могут быть как яркими, так и темными при абсолютно одинаковой длине волны и мощности лазерного возбуждения.

Такое поведение называется внутренней оптической бистабильностью. Внутренняя оптическая бистабильность нанокристаллов — это прогресс на пути к фотонным интегральным схемам, которые могут превзойти современные электронные и оптоэлектронные системы, причем с большей эффективностью.

Если кристаллы изначально темные, нам нужна большая мощность лазера, чтобы включить их и наблюдать излучение, но когда они излучают, мы можем наблюдать их излучение при меньшей мощности лазера, чем нам нужно было для их первоначального включения, — говорит Скрипка.

Это похоже на езду на велосипеде — чтобы разогнать его, нужно сильно нажать на педали, но как только он начинает двигаться, вам требуется меньше усилий, чтобы поддерживать его в движении. А их свечение можно включать и выключать очень резко, как будто нажав на кнопку.

Нанокристаллы с низким энергопотреблением соответствуют глобальным усилиям по снижению количества энергии, потребляемой растущим присутствием искусственного интеллекта, центров обработки данных и электронных устройств, добавил он. И не только приложения искусственного интеллекта требуют значительных вычислительных мощностей, но и часто ограничены ограничениями, связанными с существующим оборудованием, что также может быть решено в новом исследовании.

Интеграция фотонных материалов с присущей им оптической бистабильностью может означать более быстрые и эффективные процессоры данных, улучшающие алгоритмы машинного обучения и анализ данных, — сказал Скрипка.

Это также может означать более эффективные световые устройства, используемые в таких областях, как телекоммуникации, медицинская визуализация и экологическое зондирование.

Кроме того, по его словам, исследование дополняет существующие усилия по разработке мощных оптических компьютеров общего назначения, которые основаны на поведении света и материи в наномасштабе, и подчеркивает важность фундаментальных исследований для стимулирования инноваций и экономического роста.

Наши результаты — это захватывающее событие, но необходимо провести дополнительные исследования для решения таких проблем, как масштабируемость и интеграция с существующими технологиями, прежде чем наше открытие найдет свое применение в практических приложениях, — сказал Скрипка.

Ранее ученые сообщили о разработке нанокристаллов с превосходными оптическими свойствами.

03.01.2025