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新平臺突破能源效率極限：硅基非易失性開關通過使用

來源： 科技日報 ? 2022-07-13 09:55:14

隨著對數據的需求呈指數增長，數據中心面臨越來越大的壓力，要求其提高能效。降低能耗的一種方法是使用光與電控光開關進行通信，控制光的流動，從而控制服務器之間的信息。近日在線發(fā)表于《自然·納米技術》上的一篇論文中，美國華盛頓大學領導的聯合研究團隊報告了一種節(jié)能的硅基非易失性開關設計，該開關通過使用相變材料和石墨烯加熱器來控制光。

華盛頓大學研究人員表示，新平臺突破了能源效率的極限。與目前數據中心用于控制光子電路的技術相比，這項技術將大大降低數據中心的能源需求，使其更具可持續(xù)性和環(huán)保性。

硅光子開關在通電時，會改變其材料的光學特性，從而改變光的路徑。然而這個過程不僅不節(jié)能，還不是永久性的：一旦斷電，材料就會恢復到以前的狀態(tài)，連接的信息流也會被破壞。

為解決這個問題，聯合研究團隊創(chuàng)造了一種“一勞永逸”的開關，能夠在沒有任何額外能量的情況下保持連接。他們使用了一種非揮發(fā)性的相變材料，這意味著該材料通過短暫加熱而發(fā)生轉變，并保持狀態(tài)，直到它接收到另一個熱脈沖才又恢復到其原始狀態(tài)。

研究團隊此次使用的是未摻雜的220納米硅層來傳播光，并在硅和相變材料之間引入一層石墨烯來導電。這種設計通過引導石墨烯產生的熱量來改變相變材料，從而消除了能量浪費。

事實上，這種裝置的轉換能量密度(轉換能量除以被轉換材料的體積)僅為8.7阿托焦耳/立方納米，與當前最先進的廣泛使用的摻雜硅加熱器相比，僅為其1/70。這也在開關能量密度的基本極限(1.2阿托焦耳/立方納米)的數量級之內。

盡管使用石墨烯導電會引起一些光損失，這意味著一些光被吸收，但石墨烯非常薄，不僅損失最小，而且相變材料仍可與在硅層中傳播的光相互作用。研究團隊確定，基于石墨烯的加熱器能可靠地切換相變材料的狀態(tài)超過1000次循環(huán)，這是一項極其顯著的改進。

研究人員表示，僅用一個原子級薄的加熱器就能調整材料的光學特性，改變了游戲規(guī)則，新系統(tǒng)將有助于推動信息技術和量子計算的發(fā)展。

標簽： 能源效率 納米技術 光子電路 硅光子開關

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