Grafen kan give ultrahurtige computere
Forestil dig en computer, som arbejder 10.000 gange hurtigere end den, du sidder ved nu. Supermaterialet grafen har netop ført os et skridt nærmere den optiske datafremtid.

Her ser du opbygningen af grafen-modulatoren. Et lag grafen (det sorte net) placeres over en bølgeleder af silicium (lilla), som bruges som en optisk fiber for at lede lyset. Elektriske signaler sendes ind fra siden gennem guld (Au), og elektroder af platin (Pt) ændrer mængden af fotoner, som grafenet absorberer. (Grafik: Ming Liu)

Ville det ikke være dejligt at kunne downloade en film i høj opløsning i løbet af få sekunder?

Det kan snart blive muligt ved hjælp af supermaterialet grafen, mener amerikanske forskere.

De har lavet en optisk netværksmodulator af grafen, som kan betyde meget hurtigere dataoverførsel, end nutidens teknik tillader.

10 gange hurtigere

»Vi håber på at se den brugt industrielt i løbet af de næste få år,« siger professor Xiang Zhang fra University of California, Berkeley.

»Grafen gør det muligt for os at lave modulatorer, som er utroligt kompakte, og som potentielt er 10 gange hurtigere end nutidens teknologi,« siger han.

Dette fører os desuden et skridt nærmere de optiske computere, som i teorien kan være rigtig mange gange hurtigere.

Ordet elektronik afspejler det faktum, at vi bruger elektriske signaler i nutidens computerteknologi.

Udskifter vi elektriciteten med lys, vil tingene gå meget hurtigere.

Et af problemerne er at få den optiske teknologi gjort lille og samtidig hurtig nok, så den kan være på printpladerne i vore dages dimser og dingenoter.

Det er her, den nye modulator kommer i spil.

Klar forbedring af optisk datakommunikation

Hastigheden på optisk dataoverførsel afhænger af, hvor hurtigt modulatorerne kan pulsere lyset.

I de optiske kabler sker det ved, at en modulator skifter mellem at være gennemsigtig og uigennemskinnelig.

Jo hurtigere datapulserne er, jo større bliver mængden af information, som kan passere.

Forskerne har demonstreret en modulationshastighed på 1 gigahertz for den nye grafen-modulator, men de mener, at den teoretisk kan komme op på 500 gigahertz eller 500 milliarder cykluser per sekund.

Gennembruddet handler om, at forskerne har indstillet grafenet til at absorbere lys på de bølgelængder, som bruges i datakommunikation. Det har de gjort ved at bruge elektricitet.

Energien hos elektronerne i grafen kan nemlig ændres ved at justere den elektriske spænding, som materialet tilføres.

Ved visse spændingsniveau bliver materialet ude af stand til at absorbere lysfotonerne, og kontakten tændes, fordi grafenet bliver helt gennemsigtigt.

Ved andre spændingsniveau er materialet uigennemskinneligt, og kontakten er så at sige slået fra.

Ifølge Zhang kommer denne udvikling inden for grafen til at betyde en klar forbedring af optisk datakommunikation og databehandling, og det er ikke bare på grund af hastigheden på lyspulsen.

Den nye modulator er nemlig meget mindre end de nuværende versioner. De amerikanske forskere fik krympet den ned til 25 kvadratmikrometer.

Til sammenligning er de modulatorer, som man bruger i dag, flere kvadratmillimeter store. En mikrometer er en milliontenedel af en meter, det vil sige en tusindedel af en millimeter.

»Dette er verdens mindste optiske modulator,« siger Zhang i en pressemeddelelse.

Størrelsen betyder noget

Ifølge professor Ulf Österberg fra Institutt for elektronikk og telekommunikation ved NTNU, Norges Teknisk- og Naturvidenskabelige Universitet, har Zhang ret i, at vi relativt snart vil få elektronik, som er 10 gange hurtigere end det, der er i brug i dag.

»Men det vil måske ikke ske helt så hurtigt, som amerikanerne mener,« siger han.

»Det interessante her er netop, at de kan lave modulatoren så lille. Vi har lige så hurtige optiske modulatorer i dag, men de er store og specialiserede og bliver kun brugt i et laboratorium, hvor mange personer arbejder med dem,« siger Österberg.

Han mener ikke, at der er nogen tvivl om, at grafen er fremtidens materiale.

»Der findes mange materialer, som er hurtigere, men de kan ikke bruges til at lave noget, som er så småt og så robust som denne modulator,« siger han.

Lysbaserede applikationer har været begrænset til større anordninger som for eksempel fiberoptiske kabler.

»Når den er lille, kan man sætte modulatoren nye steder. Grafen gør det muligt at skifte elektronik ud med optik,« siger Östenberg.

Optisk computer har været kendt længe

Den optiske computer er ingen ny tanke. Bell Labs byggede en i 1990'erne, men den var lige så stor som en stue og havde en regnekapacitet som en lille computer fra 1960'erne.

»Da jeg var studerende i 1980'erne troede man, at den optiske computer ville komme i begyndelsen af 2000-tallet. Nu taler man nok mere om 2030. Principperne er der, men det er ikke nemt at gøre det kommercielt,« fortæller han.

I princippet kan en optisk computer være mellem 1.000 og 10.000 gange hurtigere end nutidens maskiner.

Mikroskopbillede af nøglestrukturene i grafen-modulatoren. Farverne er lagt på for at vise de forskellige dele. Gult er guld, grønt er platin, blåt er grafen. Grafenet ligger over bølgelederen af silicium, vist i rødt. Spændingen kontrollerer grafenets gennemskinnelighed. (Foto: Ming Liu)

»Men om film derfor bliver 10.000 gange hurtigere at downloade er dog et andet spørgsmål. Der er mange faktorer, som bestemmer, hvor lang tid det tager at hente en film, for eksempel hvis serveren, hvor filmen ligger, er en flaskehals,« siger Ulf Österberg.

For at kunne sende information mellem computerne skal de desuden kobles sammen i netværk. I netværkene findes der routere og switche, som styrer datatrafikken.

»De største problemer i dag er de knudepunkter, som al information skal igennem. Det tager tid at sortere og videresende information til de rigtige steder, og der bliver sendt mere og mere information hele tiden,« siger han.

Modulatoren er blot en af flere komponenter

Lektor Harald Øverby fra Institutt for telematikk ved NTNU er enig med Österberg i, at amerikanernes resultater er spændende.

»Men vi bliver nødt til at huske på, at modulatoren blot er en blandt rigtig mange komponenter, som skal til for at få hurtigere netværk og hurtigere computere,« siger han.

Han tror ikke på, at den optiske computer kommer lige med det samme. Han ser to store problemer: hukommelse og databearbejdning.

»Nutidens elektriske signaler kan gemmes ganske simpelt i RAM (Random Access Memory). Optiske signaler kan ikke gemmes på samme måde. Det er svært at gemme lyssignaler,« siger Øverby.

Der findes brugbare teknikker, men de er ikke lige så gode som tilsvarende teknikker for elektroniske signaler.

Harald Øverby fortæller, at vore dages teknologi gør det muligt at gøre ganske enkle ting med optiske computere, men at det ikke er muligt at gøre noget, som kræver avanceret databearbejdning – for eksempel at se en video.

Det er størrelsen, der gør det interessant

På den anden side går udviklingen mod, at man nu gør kabelnettene mere optiske. Lige fra kernen af nettet og helt ind til dine kabler og bokse derhjemme.

»I september havde 200.000 norske husstande fiberoptiske kabler, også kaldet Fibre-to-the-home (FTH). I kernen af nettene findes der også heloptiske bokse, men de er meget simplere end de elektroniske udgaver.«

Han er enig med Österberg i, at det er størrelsen på den nye modulator, som er amerikanernes største nyskabelse.

Størrelsen giver også andre fordele end blot at gøre det nemmere at integrere optisk teknologi.

Blandt andet bruger disse apparater mindre strøm.

»Cirka 10 procent af den elektriske energi i industrialiserede lande bruges til IKT (Informations- og Kommunikationsteknologi), og tallet stiger hurtigere end hos andre energibrugere,« fortæller Øverby.

Strømmen går til at holde computere og mobiltelefoner tændt, samt til at holde mobilnettet og telekommunikationsinfrastrukturer kørende.

Dette er også en af fordelene ved optiske computere, da de bruger mindre strøm end deres elektroniske modstykker.

Absorberer bredere lysspektrum

Når modulationen bliver mindre, bliver den også hurtigere, fordi grafenlaget reducerer kapacitansen, altså evnen til at holde på en elektrisk ladning. Det hæmmer ellers ofte hastigheden i elektroniske apparater.

»Hvis du vil lagre elektricitet, så tager det tid. Vi kan sammenligne det med et lagerrum. Hvis det er stort, vil det tage tid at fylde det. Med grafen kan man gøre lagerrummene små. Man åbner døren og smider noget derind, og så er det gjort,« forklarer Ulf Österberg.

»Derfor vil vi få meget lidt kapacitans på alt, som har med elektronik og dataoverførsel at gøre. Det bliver ganske enkelt hurtigere,« siger han.

Mindre komponenter genererer også mindre varme. De fleste, som har haft en bærbar computer i skødet, ved, at vores computere kan blive meget varme.

»Et af de store problemer med computerne i dag er den varme, som de genererer. Når noget bliver mindre, kan det ikke afgive lige så meget varme som noget, der er større,« siger Österberg.

»Nedkøling af computere og serverrum kræver også meget strøm,« tilføjer Øverby.

Grafen er velegnet til at lede både varme og elektricitet.

Materialet kan også absorbere et bredt spektrum af lys, lige fra lange infrarøde bølgelængder til korte ultraviolette. Det betyder mere båndbredde og en evne til at overføre mere data end vore dages teknologi.

»Grafenbaserede modulatorer betyder ikke bare en forøgelse af hastigheden, de kan også pakke en større mængde data ind i hver pulsering,« siger Zhang.

»I stedet for bredbånd vil vi få ekstrembånd,« siger han. Kombineret med, at grafenet fungerer godt sammen med silicium, vil det blive et meget attraktivt materiale for elektronik.«

Grafen er også billigt

Sidst, men ikke mindst, er grafen et relativt billigt materiale at bruge, fordi man ikke skal bruge særlig meget af det.

»Grafitten i en blyant kan give nok grafen til at producere en million optiske modulatorer,« siger Zhang.

Grafen har fået status som supermateriale siden 2004, da det første gang blev isoleret fra grafit – det samme grundstof, som findes i 'blyet' i en blyant. Sidste år blev denne præstation belønnet med Nobelprisen i fysik.

Siden dengang har forskerne så udforsket anvendelsesmulighederne for grafen, som også strækker sig langt ud over elektronikkens verden.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om Goliath-frøen, som du kan se på billedet herunder.