מתי נראה מעבדי לייזר?

מתי תהפוך הטכנולוגיה שפיתחה אינטל למוצר מסחרי? מהן הבעיות שעוד נותרו בדרך לפתרון? ומה הקשר בין תורת הקוואנטים למחשב שלכם. חלק ב'

לכתבה הראשונה: מה השתנה הלייזר הזה?

 

אין מה להיסחף לספקולציות מוגזמות לגבי הישימות של ההמצאה בעתיד הקרוב. מדובר בפריצת דרך מדעית, שעוד רחוקה מיישום הנדסי במוצרים מסחריים. יש הבדל מהותי בין בנייה של התקן אלקטרוני או פוטוני במעבדת מו"פ לבין יצור של מיליוני התקנים כאלו על פרוסת סיליקון בתהליך יצור המוני.

 

אם לשפוט לפי זמן ההבשלה של טכנולוגיות יצור רכיבים דיגיטליים בעבר, מדובר ב-5-7 שנים. וגם אז עוד לא הגענו לחלק המעניין באמת, מוצרים המנצלים את תכונות הפוטוניקה כדי לספק יכולות שכרגע נראות דמיוניות או בלתי מעשיות. ובדרך הארוכה בין הרכיב למוצר המוגמר צריך לעבור בתחנות של פיתוח שיטות ייצור, אמצעי זיווד וטכנולוגיות אריזה.

 

מדעני אינטל מאמינים כי הטכנולוגיה של סיליקון תאפשר לאמץ שיטות יצור אוטומטיות, מהסוג שמשמש היום את תעשיית האלקטרוניקה בהשמה והלחמה של רכיבים לכרטיס האם, ואלה יחליפו את השיטות הידניות המקובלות היום ביצור מערכות פוטוניות. בכל מקרה, את ההשפעה המלאה של ההכרזה נראה רק בתוך 5-10 שנים.

 

האנלוגיה השרברבית של לזירה

 

ההודעה של אינטל כללה גם פרטים טכניים, על פיהם, מדובר בלייזר Raman (על שם הפיזיקאי ההודי שגילה את התופעה הפיזיקלית), שמיוצר בתוך "מוליך גל" (גם סיב אופטי הוא מוליך גל, משום שהוא מנתב את האור הכלוא בו מהכניסה ליציאה), ועל פתרון מקורי (באמצעות התקן PIN) לבעיית ה"תהליך הדו-פוטוני" שמקלקל את הלזירה בסיליקון.

 

מבלבל? הנה כמה עקרונות יסוד של לזירה, שיכולים להיות מובנים יותר על ידי אנלוגיות פשוטות. כדי לתאר את תהליך הלזירה עצמו, איך נפלט האור תחת אילוץ, נשתמש במטפורה של זרימת מים בצנרת ביתית.

 

תארו לעצמכם בית רב קומות, כשעליכם להביא מים לברזים בכל הקומות בלחץ מספיק למקלחת נעימה. יש שתי אפשרויות לעשות זאת: להתקין משאבה בקומה תחתונה, שתלחץ את המים כלפי מעלה או להתקין מאגר מים על הגג, שיספק מים בלחץ לקומות מתחתיו.

 

הפתרון הראשון מתאים למצב הרגיל של התפלגות אנרגיה. בקומות התחתונות הלחץ חזק, והמים קולחים בעוז, ואילו בקומות העליונות אין לחץ והמים מזרזפים. הפתרון השני כולל מרכיב של "היפוך אוכלוסיה", מאגר המים קרוב יותר לקומות העליונות מאשר לתחתונות ולכן אם נפתח ברז בקומה גבוהה לחץ המים ירד בקומות הנמוכות יותר.

 

זה דומה למה שקורה בלייזר, אם נחליף את המים בפוטונים ואת גובה הקומה ברמת האנרגיה של האלקטרון. כדי למלא את המאגר על הגג צריך לשאוב מים ולהעלותם לגג, רצוי בצנרת נפרדת מזו שמשמשת את הדיירים. בלייזר אין צנרת נפרדת ולכן "שאיבת" האנרגיה נעשית באותם "צינורות" (תהליכים פיזיקליים) שמשמשים את "פליטת" הקרינה (כמו מים דרך ברזים פתוחים).

 

באנלוגיה, אפשר להגיד לדיירים בקומות התחתונות לסגור את הברזים בזמן ששואבים מים למילוי המאגר על הגג וכך לגרום ל"היפוך אוכלוסיה" של המים. עכשיו, כשתינתן ההוראה, והדיירים יפתחו את הברזים, קילוח המים יהיה "מאולץ" (תחת הלחץ של המאגר על הגג), כמו זרם פוטונים הנפלט מלייזר.

 

חוקים קוואנטיים דרקוניים

 

כמובן שהרבה יותר קל לשכנע את הדיירים לסגור את הברזים בזמן השאיבה מאשר לשכנע תהליכים פיזיקליים בסיסיים לשכוח את חוקי התרמודינמיקה. לכן עברו 43 שנה מאז שאינשטיין חשב על התיאוריה עד שמישהו הצליח לבנות לייזר אמיתי.

 

הטריק פשוט לכאורה: לנצל את העובדה שתהליכים קוואנטיים (כמו פליטת וספיגת פוטונים) מתרחשים תחת החוק הדרקוני "הכל או לא כלום" (גם הוא מפרי רוחו של אינשטיין בשנת 1905, כאשר הסביר את האפקט הפוטו-אלקטרי).

 

כלומר, ניתן למים "מכת אנרגיה" חזקה כל כך, שהם יזנקו ישר למאגר על הגג תוך התעלמות מהברזים הפתוחים בדרך. בפיזיקה קלאסית אין, כמובן, דבר כזה. לכל היותר תפוצצו את הצינורות. אבל בפיזיקה קוואנטית זה אפשרי, על ידי בחירה חכמה של מקור אנרגיה ומנגנון שאיבה.

 

אם לקוואנטים של המקור יש אנרגיה גבוהה ביחס לרמות האנרגיה הנמוכות של החומר שצריך לספוג אותם כדי להפיק לזירה, האנרגיה הזאת תועבר בלבדית לרמות האנרגיה הגבוהות יותר - ולא משנה מה אומרת התרמודינמיקה הקלאסית. תורת הקוואנטים מחייבת את האנרגיה הזאת לציית לחוק "הכל או לא כלום", והעברת כל האנרגיה לחומר הלזירה יכולה להתרחש רק ברמה גבוהה, שמסוגלת לספוג את כל האנרגיה "בקוואנט אחד".

 

באנלוגיה שלנו, המים לא יכולים לדלוף מהברזים הפתוחים משום שהם חייבים לפרוק את כל הלחץ בבת אחת, וזה אפשרי רק במאגר על הגג.

 

אינטראקציה בין פוטונים לאטומים בגביש

 

התיאור הזה נקרא בשפת הפיזיקאים "שאיבת" לייזר. במקרה של הלייזר המתואר בהכרזה של אינטל, השאיבה נעשית באמצעות אור, כלומר מקור אור חזק מספק את האנרגיה, והתהליך באמצעותו האנרגיה עוברת מהאור הזה לאור שנפלט מהלייזר הוא "אפקט ראמאן", שמתאר אינטראקציה בין פוטונים לבין האטומים בשריג הגבישי ממנו בנוי הלייזר.

 

הפיזיקאי ההודי Chandrasekhar Venkata Raman גילה את האפקט בשנת 1928, הרבה לפני שמישהו חשב ברצינות על לייזרים, וזכה על כך בפרס נובל. הרבה לייזרים משתמשים במנגנון השאיבה הזה, משום שהוא מאפשר "לעקוף את הברזים הפתוחים" ולהעביר את האנרגיה ישירות לרמות הגבוהות, מהן פליטת האור היא מאולצת.

 

למנוע את פריצת הצינורות

 

יש הרבה חומרים מהם ניתן להפיק לזירה והרבה שיטות לשאוב לתוכם אנרגיה. אבל את רובם אי אפשר לנצל בצורה מעשית. הבעיה עם סיליקון היא תהליך שנקרא "בליעה דו פוטונית". מנגנון השאיבה על שם ראמאן, מבוסס על פגיעה של פוטון אחד באטום אחד והעברת האנרגיה שלו לתנודות גביש.

 

אבל כששני פוטונים פוגעים באטום אחד לפני שהוא הספיק להעביר את האנרגיה הלאה מתרחש תהליך אחר, הרסני מבחינת הלזירה.

 

האטום משחרר את אחד האלקטרונים שלו (במקום שהאלקטרון יעלה ל"גג", הוא עף לחלל החיצון). האלקטרונים החופשיים האלה מצטברים בלייזר ומתחילים לבלוע אנרגיה מהפוטונים בלי הכרה, משום במצבם החופשי (לא קשורים לאטומים) הם פטורים מהחוקים הנוקשים של תורת הקוואנטים (לא ממש פטורים, אבל הם יכולים להתעלם מהחוק "הכל או לא כלום").

 

כלומר, ניסיון להקפיץ מים ישירות למאגר, גורם בפועל לפריצת הצינורות, משום שחלק מהמים ספגו מכת אנרגיה כפולה. הטריק שמצאו החוקרים של אינטל שקול להגנה על הצינורות על ידי סילוק המים האנרגטיים מדי. רכיב אלקטרוני בשם PIN, המשולב בלייזר הסיליקון, פועל כמשאבת אלקטרונים חופשיים.

 

במקום שהם יצטברו בין האטומים של הגביש ויהפכו את הסיליקון לחומר לא שקוף למעשה (חומר בולע פוטונים), רכיב ה-PIN שואב את האלקטרונים ומנקז אותם לאדמה. נקי מאלקטרונים חופשיים, גביש הסיליקון מגלה מחדש את תכונותיו כמדיום לזירה שקוף, שאפשר להשתמש בו למגוון יישומים ובעיקר לתקשורת.

 

הרפרטואר הטכנולוגי המוכר היטב

 

ומה שיפה בכל הסיפור הזה - שכל תהליכי היצור של הלייזר החדש נמצאים ברפרטואר הסטנדרטי של יצור רכיבי CMOS, הטכנולוגיה הסטנדרטית בה מייצרים מזה 30 שנה את המעבדים, רכיבי הזיכרון ואת רוב הרכיבים הדיגיטליים האחרים.

 

ולא רק שייצור רכיבי פוטוניקה בטכנולוגיה תואמת CMOS יכול להוריד את מחירם דרמטית, הוא יאפשר גם להשיג אינטגרציה אמיתית בין רכיבי עיבוד מידע לרכיבי תקשורת מידע - וליצור שילובים חדשניים, בהם אלקטרוניקה ופוטוניקה עובדות על אותו שבב כדי לספק פונקציונליות אופטימלית.

 

בין השאר, לבנות "מעבדים היברידיים", שילובים של מעבדים אלקטרוניים עם מעבדים פוטוניים, המבצעים אלפי פעולות במקביל (לנצל את התכונה שקרני אור לא מפריעות אחת לשנייה לעבור באותו מקום ובאותו הזמן). או "מעבדים קוואנטיים", בהם פוטונים, המצליחים לשלוט בכל אלקטרון לחוד וכך להשיג עוצמת חישוב מירבית בהשקעת אנרגיה מינימלית. על הנושאים האלה נאמר על ידי ברי סמכא, כי רק הדמיון יכול להגביל אותנו. אבל זה כבר סיפור אחר.