Nanokristal Pengalih Cahaya Menyalakan Masa Depan AI dan Komputasi

Para peneliti telah menemukan nanokristal yang dapat berpindah antar keadaan bercahaya dengan cepat, menawarkan kemajuan yang menjanjikan terhadap komputasi optik.

Teknologi ini dapat merevolusi pemrosesan data dan kecerdasan buatanmenjadikan perangkat lebih cepat dan lebih hemat energi sekaligus memperluas kemampuan di bidang telekomunikasi dan pencitraan medis.

Terobosan Teknologi Nanokristal

Para ilmuwan, termasuk peneliti kimia dari Oregon State University, telah membuat terobosan signifikan menuju kecerdasan buatan dan pemrosesan data yang lebih cepat dan hemat energi. Mereka telah menemukan nanokristal bercahaya yang dapat dengan cepat beralih antara keadaan terang dan gelap.

“Kemampuan peralihan dan memori yang luar biasa dari nanokristal ini suatu hari nanti mungkin menjadi bagian integral dari komputasi optik – sebuah cara untuk memproses dan menyimpan informasi dengan cepat menggunakan partikel cahaya, yang bergerak lebih cepat dari apa pun di alam semesta,” kata Artiom Skripka, asisten profesor di OSU Sekolah Tinggi Sains.

Penelitian tersebut dipublikasikan hari ini (3 Januari) di Fotonik Alamdilakukan oleh Skripka dan kolaborator dari Lawrence Berkeley National Laboratory, Universitas Kolombiadan Universitas Otonomi Madrid. Pekerjaan mereka berfokus pada longsoran nanopartikel, jenis material unik dengan sifat emisi cahaya yang luar biasa.

Menjelajahi Longsoran Nanopartikel

Nanomaterial adalah partikel kecil yang berukuran antara sepersejuta hingga seratus miliar meter, dan nanopartikel yang longsor memiliki sifat emisi cahaya yang sangat non-linier – mereka memancarkan cahaya yang intensitasnya dapat meningkat secara besar-besaran dengan sedikit peningkatan pada intensitas cahaya. intensitas laser yang menggairahkan mereka.

Para peneliti mempelajari nanokristal yang terdiri dari kalium, klorin, dan timbal serta diolah dengan neodymium. Sendiri, KPb₂Kl₅ nanokristal tidak berinteraksi dengan cahaya; namun, sebagai tuan rumah, mereka mengaktifkan ion tamu neodymium untuk menangani sinyal cahaya dengan lebih efisien, menjadikannya berguna untuk optoelektronik, teknologi laser, dan aplikasi optik lainnya.

Perilaku Aneh Bahan Bercahaya

“Biasanya, material berpendar mengeluarkan cahaya saat dieksitasi oleh laser dan tetap gelap saat tidak dieksitasi,” kata Skripka. “Sebaliknya, kami terkejut saat mengetahui bahwa nanokristal kami hidup secara paralel. Dalam kondisi tertentu, mereka menunjukkan perilaku yang aneh: Mereka bisa terang atau gelap di bawah panjang gelombang dan kekuatan eksitasi laser yang sama.”

Perilaku itu disebut sebagai bistabilitas optik intrinsik. Bistabilitas optik intrinsik nanokristal merupakan kemajuan menuju sirkuit terpadu fotonik yang mungkin mampu mengungguli sistem elektronik dan optoelektronik saat ini, dan dengan efisiensi yang lebih besar.

Memajukan Teknologi Hemat Energi

“Jika kristal tersebut awalnya berwarna gelap, kita memerlukan kekuatan laser yang lebih tinggi untuk menyalakannya dan mengamati emisinya, namun begitu kristal tersebut memancarkan cahaya, kita dapat mengamati emisinya dengan kekuatan laser yang lebih rendah daripada yang kita perlukan untuk menyalakannya pada awalnya,” kata Skripka. . “Ibaratnya seperti mengendarai sepeda – untuk bisa melaju, Anda harus menginjak pedal dengan kuat, namun begitu sepeda sudah bergerak, Anda hanya memerlukan sedikit usaha untuk tetap melaju. Dan pendarannya dapat dinyalakan dan dimatikan secara tiba-tiba, seolah-olah hanya dengan menekan sebuah tombol.”

Kemampuan peralihan daya rendah dari nanokristal sejalan dengan upaya global untuk mengurangi jumlah energi yang dikonsumsi oleh semakin banyaknya kehadiran kecerdasan buatan, pusat data, dan perangkat elektronik, tambahnya. Dan aplikasi AI tidak hanya memerlukan daya komputasi yang besar, namun juga sering kali terkendala oleh keterbatasan yang terkait dengan perangkat keras yang ada, sebuah situasi yang juga dapat diatasi oleh penelitian baru ini.

Implikasi untuk Komputasi Optik

“Mengintegrasikan bahan fotonik dengan bistabilitas optik intrinsik dapat berarti peningkatan pemroses data yang lebih cepat dan efisien pembelajaran mesin algoritma dan analisis data,” kata Skripka. “Ini juga bisa berarti perangkat berbasis cahaya yang lebih efisien dari jenis yang digunakan di bidang-bidang seperti telekomunikasi, pencitraan medis, dan penginderaan lingkungan.”

Selain itu, katanya, penelitian ini melengkapi upaya yang ada untuk mengembangkan komputer optik serba guna yang kuat, yang didasarkan pada perilaku cahaya dan materi di atmosfer. skala nanodan menggarisbawahi pentingnya penelitian mendasar dalam mendorong inovasi dan pertumbuhan ekonomi.

“Temuan kami merupakan perkembangan yang menarik, namun penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengatasi tantangan seperti skalabilitas dan integrasi dengan teknologi yang ada sebelum penemuan kami diterapkan dalam aplikasi praktis,” kata Skripka.

Referensi: “Bistabilitas optik intrinsik foton longsoran nanokristal” oleh Artiom Skripka, Zhuolei Zhang, Xiao Qi, Benedikt Ursprung, Peter Ercius, Bruce E. Cohen, P. James Schuck, Daniel Jaque dan Emory M. Chan, 3 Januari 2025, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01577-x

Departemen Energi AS, National Science Foundation, dan Defense Advanced Research Projects Agency mendukung penelitian tersebut, yang dipimpin oleh Bruce Cohen dan Emory Chan dari Lawrence Berkeley, P. James Schuck dari Columbia University, dan Daniel Jaque dari Autonomous University dari Madrid.