Mikroskopisk laser kan halvere energiforbruget i computere

Forskere på DTU har udviklet en banebrydende nanolaser, der kan blive nøglen til langt hurtigere og langt mere energieffektive computere, telefoner og datacentre. Opfindelsen af nanolaseren er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science Advances. Perspektiverne i teknologien er, at tusindvis af de nye lasere kan være på én enkelt mikrochip, og dermed åbne til en digital fremtid, hvor data ikke længere sendes med elektriske signaler, men med lyspartikler - fotoner.

"Nanolaseren åbner mulighed for at skabe en ny generation af komponenter, der kombinerer høj ydeevne med minimal størrelse. Det kan f.eks. være inden for informationsteknologi, hvor ultra-små og energieffektive lasere kan reducere energiforbruget i computere, eller i udviklingen af sensorer til sundhedssektoren, hvor nanolaserens ekstreme lyskoncentration kan levere billeder i høj opløsning og ultrafølsomme biosensorer," siger professor på DTU Jesper Mørk, som er medforfatter til publikationen sammen med bl.a. akademisk tekniker Meng Xiong og lektor Yi Yu fra DTU Electro.

Halverer energiforbruget i computere

Internettet kommunikerer allerede i dag data i form af lyspartikler på lyslederkabler, men på computere bliver data sendt rundt med elektricitet i de elektroniske kredsløb. Det begrænser hastigheden og skaber varme. Ved at bringe lyset helt ind på selve mikrochippen ved hjælp af nanolasere, kan fremtidens digitale teknologi blive både hurtigere, koldere og langt mere klimavenlig. Det bliver muligt, fordi nanolaseren effektivt kan generere lyssignaler som kan transmitteres næsten uden energitab. Når det gælder computere, så anslår Jesper Mørk, at nanolaserne kan halvere energiforbruget.

Den ultrakompakte nanolaser fra DTU udgør en nødvendig byggesten for denne vision, fordi mikrochips i fremtiden skal bruge tusindvis af bittesmå, energieffektive lasere til at sende lyssignaler internt på chippen.

Et teknologisk gennembrud

Nanolaseren er udviklet i DTU’s renrum, DTU Nanolab, og bryder ifølge Jesper Mørk med den traditionelle grænse for, hvor små lasere kan være. Laseren er baseret på en lysfangende struktur – en nanokavitet – der koncentrerer lyset ekstremt kraftigt i et område så lille, at den type konstruktioner tidligere blev anset for umulige.

Når forskerne belyser laseren med en lysstråle, samler både lyset og elektronerne sig i et mikroskopisk område. Det gør det muligt for laseren at fungere ved stuetemperatur med et usædvanligt lavt energiforbrug.

DTU forskernes lysfangende struktur blev oprindeligt designet af professor Ole Sigmund’s gruppe fra DTU Construct.

Hurtigere teknologi, mindre CO₂ og bedre sensorer

Hvis nanolaseren fremover kan drives elektrisk - og det bliver den næste store udfordring i forskningen - så vil den kunne revolutionere en lang række teknologier. Computere og smartphones kan bruge markant mindre strøm og levere højere ydeevne, ligesom datacentre vil kunne reducere deres energiforbrug dramatisk med store klimabesparelser til følge. Inden for sundhedsteknologi vil det være muligt at udvikle ultrafølsomme sensorer og billedsystemer i høj opløsning.

Forskerne vurderer, at de sidste tekniske udfordringer kan løses inden for de kommende 5–10 år.