חוקרים פיתחו טרנזיסטורים שמשתמשים באור לייזר נוסף על אלקטרונים. הפוטנציאל: יכולת חישוב מהירה הרבה יותר

חוקרים מאוניברסיטת אילינוי יצרו התקן חדש המשלב טרנזיסטור עם לייזר. כך הם הניחו את הבסיס למערכות חישוב מהירות במיוחד, שישלבו אלקטרוניקה עם אופטיקה.

לאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין היסטוריה ארוכה בתחום המחשוב והאלקטרוניקה. ג'ון ברדין, ממציא הטרנזיסטור – יחידת החישוב הבסיסית ביותר הנחוצה לפעולתם של מעבדים אלקטרוניים, היה איש סגל באוניברסיטה. הוא המציא את ההתקן כשעוד עבד במעבדות בל, אך הביא איתו את הידע והמחקר כשהצטרף לאוניברסיטה כעבור כמה שנים, וכותבי המאמר מודים לו על כך.

טרנזיסטור הוא התקן בעל שלושה מגעים חשמליים שפועל כמתג. שני מגעים נועדו להעברת זרם והשלישי משמש לשליטה במצב המתג: הוא מוסיף או גורע אלקטרונים מההתקן, וכך משנה את מידת ההתנגדות של ההתקן לזרם. כשההתקן מלא אלקטרונים קשה יותר להעביר בו אלקטרונים נוספים, בשל הדחייה החשמלית ביניהם. במצב הזה, לא יעבור זרם בטרנזיסטור והמתג יחשב פתוח. כדי לסגור את המתג ולאפשר מעבר של זרם חשמלי "מרוקנים" אותו מהאלקטרונים שבו – שוב, באמצעות המגע השלישי.

מהירותו של תהליך ה"מיתוג" – התהליך שבו המתג משנה את מצבו – והמהירות שבה זרם האלקטרונים עובר במתג, מכתיבים את מהירות החישובים והעברת המידע במערכת. לאחרונה החלו מדענים ומהנדסים ליצור התקנים שבמקום להתבסס על אלקטרונים משתמשים בפוטונים – חלקיקי האור. פוטונים נעים מהר יותר מאלקטרונים, ולכן בהתקנים שכאלה אפשר לכאורה לבצע חישובים מהירים יותר, אם כי עדיין לא ברור עד כמה.

איך ממתגים עם חלקיקי אור? כשאלקטרון נמצא ברמת אנרגיה גבוהה בחומר, הוא יכול לחזור לרמה נמוכה יותר אם יפלוט פוטון שהאנרגיה שלו שווה להפרשי האנרגיה בין הרמות. אפשר לגרום לפליטה כזאת של פוטון, על ידי פוטון נוסף, בתהליך שנקרא "פליטה מאולצת". התהליך הזה הוא הבסיס לפעולתו של מכשיר הלייזר.

כשחלקיק האור פוגע בהתקן, אלקטרון החומר שהיה ברמת אנרגיה גבוהה חוזר לרמה הנמוכה יותר ופולט תוך כדי כך פוטון זהה לפוטון הפוגע. אם קיים אלקטרון ברמת האנרגיה הגבוהה, הפליטה המאולצת תתאפשר ונאמר שהמתג סגור.

כשהאלקטרון חוזר מרמת האנרגיה הגבוהה לנמוכה, הוא פולט פוטון. פליטה מאולצת: תרשים: V1adis1av, מקור: ויקיפדיה, GDFL כשהאלקטרון חוזר מרמת האנרגיה הגבוהה לנמוכה, הוא פולט פוטון. פליטה מאולצת: תרשים: V1adis1av, מקור: ויקיפדיה, GDFL 

החוקרים שילבו בהתקן אחד, שגודלו כחמישים מיקרון – חמש מאיות המילימטר – טרנזיסטור אלקטרוני רגיל וטרנזיסטור לייזר. השילוב הזה, לטענתם, חיוני מכיוון שאין מכשיר שהוא אופטי בלבד ובסופו של דבר נהיה חייבים לשלב את המכשיר האופטי שלנו עם מכשירים חשמליים אחרים, שלא לדבר על החשמל שנצטרך כדי להפעיל אותו.

ההתקן המשולב שבנו החוקרים משתמש באלקטרונים לסיוע בתהליך הפליטה המאולצת של הפוטונים, וכך יכול להמיר בין חישוב אלקטרוני לחישוב אופטי. בנוסף, הראו החוקרים שפוטונים שפוגעים בחלק האלקטרוני של הטרנזיסטור יכולים לגרום למיתוגו על ידי מתן אנרגיה לאלקטרונים שתאפשר להם לעבור לרמת אנרגיה גבוהה יותר שאינה מאוכלסת באלקטרונים, וכך השלימו את הקישור בין אלקטרונים לפוטונים בהתקן החדש.

התקן אחד בלבד אינו מספיק כמובן לביצוע חישובים מורכבים – במעבד בודד של אינטל יש מיליוני טרנזיסטורים, אבל ההוכחה שההתקן המשולב עובד היא צעד ראשון לקראת יצירה של מעבדים מהירים יותר המבוססים גם על מעבר פוטונים, ולא רק על אלקטרונים.