کاهش مصرف انرژی در دنیای اینترنت با کلید نانویی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه واشنگتن موفق به ساخت یک کلید غیرفرار مبتنی بر سیلیکون شدند که از نظر مصرف انرژی بسیار کارآمد است. این کلید نور را از طریق استفاده از ماده تغییر فازدهنده و گرمکن گرافنی دستکاری می‌کند. چنین قطعه‌ای برای کاهش مصرف انرژی مراکز داده قابل استفاده است.

به تازگی مقاله‌ای با عنوان Ultra-low-energy programmable non-volatile silicon photonics based on phase-change materials with graphene heaters در نشریه Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است که در آن جزئیات مربوط به ساخت یک سوئیچ نانویی قابل برنامه‌دهی با کمک هیتر‌های گرافنی درج شده است.

پیش از این، محققان از سیلیکون دوپ شده برای گرم کردن مواد تغییر فازدهنده استفاده می‌کردند. سیلیکون به تنهایی رسانای الکتریسیته نیست، اما هنگامی‌که به طور انتخابی با عناصر مختلف مانند فسفر یا بور دوپ شود، سیلیکون قادر است هم جریان الکتریسیته را هدایت کند و هم نور را بدون هیچ گونه جذب اضافی منتشر کند. هنگامی که یک جریان از طریق سیلیکون دوپ شده پمپ می‌شود، می‌تواند مانند یک هیتر برای تغییر وضعیت مواد تغییر فازدهنده در بالای آن عمل کند.

نکته مهم این است که این فرآیند نیز کارآمد نیست. مقدار انرژی مورد نیاز برای سوئیچ کردن مواد تغییر فازدهنده مشابه مقدار انرژی مصرف شده توسط کلید‌های ترمواپتیک سنتی است. این موضوع به این دلیل است که کل لایه سیلیکونی دوپ شده با ضخامت ۲۲۰ نانومتر باید گرم شود تا تنها ۱۰ نانومتر ماده تغییر فازدهنده تغییر کند. انرژی زیادی برای گرم کردن چنین حجم زیادی از سیلیکون برای جابجایی حجم بسیار کمتری از مواد تغییر فازدهنده تلف می‌شود.

یک روش برای حل این مشکل، ساخت یک لایه سیلیکونی نازک‌تر است، اما سیلیکون اگر نازک‌تر از ۲۰۰ نانومتر باشد، نور را به خوبی منتشر نمی‌کند؛ بنابراین در عوض، آن‌ها از یک لایه سیلیکونی ۲۲۰ نانومتری دوپ نشده برای انتشار نور استفاده کردند و لایه‌ای از گرافن را بین سیلیکون و ماده تغییر فازدهنده برای هدایت الکتریسیته وارد کردند. مانند فلز، گرافن رسانای عالی الکتریسیته است، اما بر خلاف فلزات، از نظر اتمی نازک است. این طراحی با هدایت تمام گرمای تولید شده توسط گرافن به سمت تغییر ماده تغییر فازدهنده، انرژی تلف شده را حذف می‌کند. در واقع، چگالی انرژی سوئیچینگ، تنها ۸٫۷ آتوژول (aJ) /nm ۳ است که ۷۰ برابر کاهش را به ارمغان می‌آورد.

گرافن به قدری نازک است که نه تنها تلفات نوری آن بسیار کم است، بلکه ماده تغییر فازدهنده همچنان می‌تواند با نور منتشر شده در لایه سیلیکون تعامل داشته باشد. این تیم نشان داد که یک هیتر مبتنی بر گرافن می‌تواند به طور قابل اعتمادی وضعیت مواد تغییر فازدهنده را بیش از ۱۰۰۰ چرخه تغییر دهد. این نتایج، یک پیشرفت قابل توجه نسبت به هیتر‌های سیلیکونی دوپ شده است که در حدود ۵۰۰ چرخه استقامت دارند.

محققان نشان داده‌اند که می‌توان نور را با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده و گرمکن گرافن کنترل کرد. در قدم بعد این تیم قصد دارد نشان دهد که این سوئیچ‌ها می‌توانند برای مسیریابی نوری اطلاعات از طریق شبکه‌ای از دستگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرند، که گامی کلیدی در جهت ایجاد استفاده از آن‌ها در مراکز داده است.