Датские учёные создали нанолазер, способный вдвое сократить энергопотребление компьютеров

Исследователи из Датского технического университета (DTU) создали крошечный нанолазер, который в перспективе поможет сделать компьютеры, смартфоны и дата-центры быстрее при значительно меньшем энергопотреблении. Работа опубликована в журнале Science Advances.

В будущем тысячи таких лазеров можно будет интегрировать на один микрочип. Вместо передачи информации по чипу с помощью электрических сигналов устройства смогут передавать данные фотонами — частицами света.

«Нанолазер открывает возможность создания нового поколения компонентов, сочетающих высокую производительность с минимальными размерами. Это может быть информатика, где сверхмалые и энергоэффективные лазеры способны снизить энергопотребление компьютеров, или разработка сенсоров для здравоохранения, где экстремальная концентрация света в нанолазере позволяет получать изображения высокого разрешения и сверхчувствительные биосенсоры», — говорит профессор DTU Еспер Мёрк.

Мёрк подготовил исследование совместно с докторами Мэн Сюн и И Ю из DTU Electro.

Значительная часть интернета уже использует свет для передачи информации по оптоволоконным кабелям. Однако внутри компьютеров данные по-прежнему перемещаются по электронным схемам с помощью электричества. Такой подход выделяет тепло и ограничивает скорость передачи информации.

Нанолазеры могли бы перенести оптическую связь непосредственно на микрочипы. Генерируя световые сигналы эффективно внутри чипа, они позволили бы передавать информацию с очень малыми потерями энергии, что потенциально сделает будущие устройства быстрее, холоднее и энергоэффективнее.

Мёрк оценивает, что использование нанолазеров в компьютерах может снизить энергопотребление вдвое.

Компактный нанолазер DTU — важный шаг к этой цели. Будущие чипы, построенные на световой связи, вероятно, потребуют тысяч чрезвычайно малых и эффективных лазеров, работающих совместно для передачи информации по чипу.

Новый нанолазер был создан в чистом помещении DTU Nanolab. По словам Мёрка, устройство выходит за традиционный предел того, насколько маленьким может быть лазер.

В его основе лежит структура, известная как нанорезонатор, которая удерживает и концентрирует свет в исключительно крошечном пространстве. До сих пор достижение столь сильного удержания на таком масштабе считалось крайне сложной задачей.

Когда исследователи направляют пучок света на устройство, и фотоны, и электроны концентрируются в одной микроскопической области. Это взаимодействие позволяет лазеру работать при комнатной температуре, требуя необычно мало энергии.

Структура для удержания света, использованная в нанолазере, была изначально разработана группой профессора Оле Сигмунда в DTU Construct.

Следующая крупная задача — заставить нанолазер работать от электрической энергии. Если исследователям удастся этого добиться, технология сможет найти широкое применение в вычислениях, связи и здравоохранении.

Компьютеры и смартфоны потенциально смогут обеспечивать более высокую производительность при меньшем потреблении электроэнергии. Дата-центры, требующие огромных объёмов энергии, также могут существенно сократить энергопотребление, что потенциально даст значительный климатический эффект.

В медицинских технологиях способность нанолазера концентрировать свет в чрезвычайно малой области может обеспечить сверхчувствительные сенсоры и системы визуализации высокого разрешения.

Исследователи оценивают, что оставшиеся технические задачи могут быть решены в течение ближайших 5–10 лет.

Источники:

Материалы предоставлены Датским техническим университетом.

Meng Xiong, Yi Yu, Yury Berdnikov, Simon Klinck Borregaard, Adrian Holm Dubré, Elizaveta Semenova, Kresten Yvind, Jesper Mørk. A nanolaser with extreme dielectric confinement. Science Advances, 2025; 11 (51) DOI: 10.1126/sciadv.adx3865