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新しいナノクリスタル、効率的な光コンピューティングとメモリへの重要な一歩

January, 15, 2025, Corvalis--オレゴン州立大学(OSU)の化学研究者を含む科学者は、光から暗へ、また光へと素早く切り替えることができる発光ナノ結晶の発見により、次世代の光学コンピューティングとメモリに向けた重要な一歩を踏み出した。

「これらのナノ結晶の並外れたスイッチング能力とメモリ能力は、いずれ光コンピューティングに不可欠なものになる可能性がある。これは、宇宙のどの粒子よりも速く移動する光粒子を使用して情報を迅速に処理および保存する方法である。「われわれの発見は、人工知能と情報技術全般を進歩させる可能性を秘めている」と、OSU理学部のArtiom Skripka助教授は話している。

Nature Photonicsに掲載されたSkripkaとローレンス・バークレー国立研究所、コロンビア大学、マドリッド自治大学の共同研究者による研究には、アバランチングナノ粒子として知られる材料の一種が含まれている。

ナノマテリアルは、10億分の1メートルから1000億分の1メートルの小さな物質である。アバランチングナノ粒子は、その発光特性が極端に非線形であるという特徴があり、その光を放出し、その強度は、励起するレーザの強度がわずかに増加すると大幅に増加する可能性がある。

研究チームは、カリウム、塩素、鉛で構成され、ネオジムをドープしたナノ結晶を研究した。それ自体では、塩化カリウム鉛ナノ結晶は光と相互作用しない。しかし、ホストとしては、ネオジムゲストイオンが光信号をより効率的に処理できるようにし、オプトエレクトロニクス、レーザ技術、その他の光学アプリケーションに役立つ。

「通常、発光材料はレーザによって励起されると光を放ち、そうでないときは暗いままである。それとは対照的に、われわれのナノクリスタルが並行して生きていることを発見して驚いた。特定の条件下では、それらは独特の振る舞いを示す:まったく同じレーザ励起波長と出力の下では、明るくも暗くもなる」(Skripka)。

この振る舞いは、固有の光学的双安定性と呼ばれる。

「結晶が初めに暗い場合、スイッチを入れて放射を観察するには、より高いレーザ出力が必要だが、一度放出すると、放出されたままになり、最初にスイッチを入れる必要があったよりも低いレーザ出力で発光を観察できる。それは自転車に乗るようなものである。それを動かすためには、ペダルを強く押す必要があるが、いったん動き出すと、それを続けるために必要な努力が少なくて済む。さらに、その発光は、まるでボタンを押すかのように、本当に突然オンとオフを切り替えることができる」(Skripka)。

ナノクリスタルの低電力スイッチング機能は、人工知能、データセンタ、電子デバイスの存在の増加によって消費されるエネルギー量を削減するための世界的な取り組みと一致している。また、AIアプリケーションは相当な計算能力を必要とするだけでなく、既存のハードウェアに関連する制限によって制約されることが多く、この新しい研究でもこの状況に対処できる。

「フォトニック材料と固有の光学的双安定性を統合することで、データプロセッサの高速化と効率化が可能になり、MLアルゴリズムとデータ分析が強化される可能性がある。また、電気通信、医用画像処理、環境センシング、光コンピュータや量子コンピュータの相互接続などの分野で使用されるタイプの、より効率的な光ベースのデバイスを意味する可能性もある」(Skripka)。

さらに、この研究は、ナノスケールでの光と物質の振る舞いに基づく強力な汎用光コンピュータを開発する既存の取り組みを補完するものであり、イノベーションと経済成長を推進するための基礎研究の重要性を強調している。

「われわれの発見はエキサイティングな開発だが、その発見が実用化に居場所を見つける前に、スケーラビリティや既存技術との統合などの課題に対処するには、さらなる研究が必要である」とSkripkaはコメントしている。