현대의 고속 인터넷은 빛을 이용하여, 광섬유 케이블을 통해 많은 양의 데이터를 빠르고 확실하게 전송하지만, 데이터 처리가 필요할 때 광신호를 전기 신호로 변환할 필요가 있고, 이것이 병목현상이 된다는 문제를 안고 있다. 이것을 해결하기 위해서, 빛으로 빛을 직접 제어하는 「전광 스위치」를 이용하는 수법이 모색되고 있다는 것.
「전광 스위치」는, 전기 변환을 필요로 하지 않고 빛을 사용해 다른 광신호를 제어할 수 있다고 하는 디바이스로, 이 전광 스위치를 이용함으로써, 광통신에서의 시간과 에너지를 모두 절약할 수 있게 된다.
미시간대 연구팀은, 극박 반도체로 덮인 광공진기를 통해, 나선형으로 꼬인 원편광의 빛을 펄스 조사함으로써, 초고속으로 동작하는 전광 스위치를 실현했습니다.
미시간 대학이 개발한 전광 스위치는, 제어 레이저의 온오프를 전환함으로써 동일한 편광의 광신호를 전환하는 표준적인 전광 스위치로서 기능하고, 또, 한쪽의 광입력이 시계방향으로 회전하고, 다른 한쪽이 반시계방향으로 회전하고 있을 때에 출력 신호를 생성해, 양쪽의 입력이 같은 방향으로 회전하고 있는 경우는 출력 신호를 생성하지 않는다고 하는, 논리 회로로서 기능시키는 것도 가능하다.
연구팀은, "스위치는 모든 정보처리 유닛의 가장 기본적인 구성 요소입니다. 전광 스위치는 전광 컴퓨팅, 혹은 광뉴럴 네트워크의 구축을 향한 첫걸음이 될것입니다"라고 말하고. 또 "극히 낮은 전력 소비가 광컴퓨팅 성공의 열쇠입니다. 우리 팀의 연구는 바로 이 문제를 다루고 있으며, 희귀한 2차원 재료를 사용하여 비트당 매우 낮은 에너지로 데이터 전환에 성공하고 있습니다"라고 언급.
연구팀은 전광 스위치를 실현하기 위해, 나선형 레이저를 빛을 잡아 여러 번 왕복시키는 거울 조합인 광학 캐비티에 일정 간격으로 펄스 조사함으로써 레이저 강도를 2자리수나 증강시키는 데 성공했다.
또한, 1분자 두께의 셀렌화 텅스텐(WSe2)층을 광학 캐비티 내에 매립함으로써, 강한 진동광이 반도체 내의 이용 가능한 전자 밴드를 확대. 이것은 슈탈크 효과라고 불리는 비선형 광학 효과로, 이로 인해 광신호의 플루언스, 즉 단위 면적당 전달 또는 반사되는 에너지 양이 변화한다고 한다.
슈탈크 효과는 광신호를 변조할 뿐만 아니라, 전자 밴드에 자기장과 같은 영향을 미치는 의사 자기장도 생성하고, 의사 자기장의 유효 강도는 210테슬라로, 지구상에서 가장 강한 자석의 강도인 100테슬라보다 훨씬 강력. 이 매우 강한 힘은 스핀이 빛의 나선 방향으로 모아진 전자에만 영향을 미치기 때문에, 서로 다른 스핀 방향의 전자밴드를 일시적으로 분할해 모아진 전자밴드를 모두 같은 방향으로 향하게 할 수 있다.
또한, 서로 다른 밴드의 전자의 스핀 방향이 짧은 시간 동안 균일해짐으로써, 시간 반전 대칭이라고 불리는 상태도 깨지는데, 의사자장에서는 역방향으로 회전하는 전자의 에너지가 다르기 때문에, 시간 반전 대칭이 깨져 서로 다른 스핀의 에너지를 레이저로 제어할 수 있게 된다고 한다.
미시간대 물리학 및 전기 컴퓨터공학 교수는 "우리의 연구 결과는, 시간 반전 대칭을 제어하는 것이 물질의 이상한 상태를 만들어내기 위한 필수 조건이라는 기초과학과, 이러한 거대한 자기장을 활용할 수 있게 하는 기술 모두에서, 많은 새로운 가능성을 열어주는 것입니다"라고 코멘트.
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