Grafén kan gi ultrarask dataoverføring

Se for deg en datamaskin som jobber 10 000 ganger raskere enn den du sitter ved nå. Supermaterialet grafén har akkurat tatt oss ett skritt nærmere den optiske dataframtida.

(Foto: Colourbox)
(Foto: Colourbox)

Grafén

Grafén består av bare ett lag av karbonatomer ordnet i et sekskantet mønster, eller heksagonal struktur.

Første gang det ble isolert, ble det hentet fra en bit grafitt, det samme stoffet som finnes i blyantspisser.

Grafén er et nanomateriale med flere unike egenskaper.

Det er for eksempel 200 ganger sterkere enn vanlig stål, gjennomsiktig, og leder elektrisitet like bra som kobber.

Materialet spås en viktig rolle i framtida, ikke minst innen elektronikk.

Hadde det ikke vært fint å kunne laste ned en høyoppløselig film i løpet av sekunder?

Det kan snart bli mulig ved hjelp av supermaterialet grafén, mener amerikanske forskere.

De har laget en optisk nettverksmodulator av grafén, som kan legge til rette for mye kjappere dataoverføring enn dagens teknologi tillater.

10 ganger raskere

- Vi håper å se industriell bruk av den i løpet av de neste få årene, sier professor Xiang Zhang ved University of California, Berkeley.

- Grafén gjør det mulig for oss å lage modulatorer som er utrolig kompakte, og som potensielt fungerer 10 ganger raskere enn dagens teknologi, sier han.

Dette tar oss dessuten ett skritt nærmere de optiske datamaskinene, som i teorien kan være enda mye, mye raskere.

Pulserer lyset

Ordet elektronikk reflekterer det faktum at vi bruker elektriske signaler i dagens datateknologi.

Bytter vi ut elektrisiteten med lys, vil ting gå mye raskere.

Ett av problemene er å få den optiske teknologien liten og samtidig rask nok, så den får plass på kretskortene i dagens dingser og duppeditter.

Det er her den nye modulatoren kommer inn.

Lyspuls

Hastigheten på optisk dataoverføring er avhengig av hvor raskt modulatorene kan pulsere lyset.

Inne i optiske kabler skjer det ved at en modulator skifter mellom å være gjennomsiktig og ugjennomskinnelig.

Jo raskere datapulser, jo større blir mengden informasjon som kan passere.

Forskerne har demonstrert en modulasjonshastighet på 1 gigahertz for den nye grafén-modulatoren, men de mener den teoretisk kan komme opp i 500 gigahertz, eller 500 milliarder sykluser per sekund.

Absorberer ved riktig spenning

Gjennombruddet handler om at forskerne har innstilt grafénet til å absorbere lys på de bølgelengdene som brukes i datakommunikasjon. Det har de klart ved å bruke elektrisitet.

Energien til elektronene i grafén kan nemlig endres ved å justere den elektriske spenningen materialet tilføres.

Ved noen spenningsnivå blir materialet ute av stand til å absorbere lysfotonene, og bryteren skrus på fordi grafénet blir helt gjennomsiktig.

Ved andre spenningsnivå er materialet ugjennomskinnelig, og vi kan si at bryteren er av.

Her ser du oppbygningen av grafén-modulatoren. Et lag grafén (sort netting) plasseres over en bølgeleder av silisium (lilla), som brukes som en optisk fiber for å lede lyset. Elektriske signaler sendes inn fra siden gjennom gull (Au), og elektroder av platina (Pt) endrer mengden fotoner grafénet absorberer. (Grafikk: Ming Liu)
Her ser du oppbygningen av grafén-modulatoren. Et lag grafén (sort netting) plasseres over en bølgeleder av silisium (lilla), som brukes som en optisk fiber for å lede lyset. Elektriske signaler sendes inn fra siden gjennom gull (Au), og elektroder av platina (Pt) endrer mengden fotoner grafénet absorberer. (Grafikk: Ming Liu)

- Verdens minste

Zhang mener nyvinningen i grafén kommer til å stå for en tydelig forbedring av optisk datakommunikasjon og databehandling, og det er ikke bare på grunn av hastigheten på lyspulsen.

Den nye modulatoren er nemlig mye mindre enn dagens versjoner. De amerikanske forskerne krympet saken ned til 25 kvadratmikrometer.

Til sammenligning er modulatorene som brukes i dag på flere kvadratmillimeter, og én mikrometer er en milliondel av en meter, eller en tusendel av en millimeter.

- Dette er verdens minste optiske modulator, sier Zhang i enpressemelding fra UC Berkeley.

Størrelsen teller

Ulf Österberg. (Foto: Privat)
Ulf Österberg. (Foto: Privat)

Professor Ulf Österberg ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU tror Zhang har rett i at vi relativt snart vil få elektronikk som er 10 ganger raskere enn dagens.

- Men det vil kanskje ikke skje fullt så raskt som amerikanerne sier, kommenterer han.

- Det store her er nettopp at de kan lage modulatoren så liten. Vi har like raske optiske modulatorer i dag, men de er store og spesielle, og fungerer bare inne i et laboratorium hvor mange personer jobber med dem, sier Österberg.

Han mener det ikke er noen tvil om at grafén er framtidas materiale.

Bytte ut elektronikk med optikk

- Det finnes mange materialer som er raskere, men de kan ikke brukes til å lage noe som er så lite og så robust som denne modulatoren, sier NTNU-professoren.

Størrelsen på modulatorene har så langt skapt problemer for bruken av optisk teknologi, fordi det har vært vanskelig å lage små nok optiske sammenkoblinger på databrikker.

Lysbaserte applikasjoner har dermed vært begrenset til større anordninger, som for eksempel fiberoptiske kabler.

- Når den blir liten, kan du sette modulatoren på nye steder. Grafén gjør det mulig å bytte ut elektronikk med optikk, sier Österberg.

Optisk datamaskin

Den optiske datamaskinen er slett ikke noen ny tanke. Bell Labs bygde én på 1990-tallet, men den var like stor som en stue og hadde regnekapasitet som en liten spilldatamaskin fra 1960-tallet.

- Når jeg var student på 1980-tallet trodde man at den optiske datamaskinen ville komme på begynnelsen av 2000-tallet. Nå snakker man kanskje mer om 2030. Prinsippene er der, men å gjøre det kommersielt er ikke lett, sier Österberg.

I prinsippet kan en optisk datamaskin være 1 000 til 10 000 ganger raskere enn dagens maskiner, forteller han.

Flere begrensnigner på hastighet

- Men om filmen dermed kommer 10 000 ganger raskere til maskinen din, er et annet spørsmål. Det er mange faktorer som bestemmer hvor lang tid det tar å laste ned en film, for eksempel kan det hende at serveren hvor filmen ligger er en flaskehals, sier Österberg.

For å kunne sende informasjon mellom datamaskiner må de dessuten kobles sammen i nettverk. I nettverkene finnes det rutere og svitsjer som styrer datatrafikken.

- De største problemene vi har nå er knutepunktene all informasjon må gjennom. Det tar tid å sortere og sende videre informasjon til riktig sted, og vi sender mer og mer informasjon hele tiden.

- Men rutere er som små datamaskiner de også, og om de får grafén-modulatorer kan de også bli raskere, sier han.

Én av flere komponenter

Harald Øverby. (Foto: Privat)
Harald Øverby. (Foto: Privat)

Førsteamanuensis Harald Øverby ved Institutt for telematikk ved NTNU er enig med Österberg i at resultatet fra amerikanerne er spennende.

- Men vi må huske at modulatoren bare er én av veldig mange komponenter som skal til for å få raskere nettverk og raskere datamaskiner, sier han

Han har ikke tro på at den optiske datamaskinen kommer med det første, og ser to store problemer: Lagring og prosessering.

- Dagens elektriske signaler kan lagres ganske enkelt i RAM (Random Access Memory). Optiske signaler kan ikke lagres på samme måte. Det er vanskelig å lagre lyssignaler, sier Øverby.

Det finnes noen teknikker for dette, men de er ikke like gode som tilsvarende teknikker for elektroniske signaler.

Mer optikk i nettene

Øverby forteller at dagens teknologi gjør det mulig å få til ganske enkle ting med optiske datamaskiner, men at det ikke er mulig i dag å gjøre noe som krever avansert dataprosessering – for eksempel se en video.

På den andre siden går utviklingen mot at man nå gjør ting stadig mer optisk i nettene – fra kjernen av nettet og helt inn til kablene og boksene du har i huset hjemme.

- I september 2009 hadde 200 000 norske husstander fiberoptiske kabler, også kalt Fibre-to-the-home (FTTH). I kjernen av nettene finnes det også heloptiske bokser, men de er mye enklere enn de elektroniske motpartene, sier Øverby.

Strømforbruk

Han er enig med Österberg i at det er størrelsen på den nye modulatoren som er den største nyvinningen fra amerikanerne. Størrelsen gir også flere fordeler enn at det blir lettere å integrere optisk teknologi.

Blant annet er det slik at mindre dingser bruker mindre strøm.

- Rundt 10 prosent av den elektriske energien i industrialiserte land brukes til IKT, og det øker raskere enn for andre energibrukere, forteller Øverby.

Strømmen går til å holde i gang datamaskiner, mobiltelefoner, og til å holde mobilnett og telekommunikasjonsstruktur oppe.

Dette er også en av fordelene med optiske datamaskiner, fordi de bruker mindre strøm enn sine elektroniske motparter.

Absorberer bredere lysspekter

Når modulatoren blir mindre, blir den også raskere, fordi grafénlaget reduserer kapasitansen, eller evnen til å holde på en elektrisk ladning. Dette hindrer ofte farten i elektroniske dingser.

- Om du vil lagre elektrisitet, så tar det tid. Vi kan sammenligne det med et lagerrom. Er det stort, vil det ta tid å fylle det. Med grafén kan man gjøre lagerrommene små – man åpner døra og slenger inn noe, så er det gjort, forklarer Österberg.

- Derfor vil vi ha veldig liten kapasitans på alt som har med elektronikk og dataoverføring å gjøre. Da blir det ganske enkelt raskere, sier han.

Genererer mindre varme

Mindre komponenter genererer også mindre varme. De fleste som har hatt en laptop på fanget har fått med seg at dagens datamaskiner kan bli ganske heite.

- Ett av de store problemene med datamaskinene i dag er varmen som genereres i dem. Når noe blir mindre, kan det ikke avgi like mye varme som noe som er større, sier Österberg.

- Nedkjøling av datamaskiner og serverrom krever også mye strøm, legger Øverby til.

Flere fordeler ved grafén

Grafén er veldig bra på å lede både varme og elektrisitet.

Materialet kan også absorbere et bredt spekter av lys, fra lange infrarøde bølgelengder, til korte ultrafiolette. Det betyr mer båndbredde og en evne til å bære mer data enn dagens teknologi.

Mikroskopbilde av nøkkelstrukturene i grafén-modulatoren. Fargene er lagt på for å vise de ulike delene. Gult er gull, grønt er platina, blått er grafén. Grafénet ligger over bølgelederen av silisium, vist i rødt. Spenningen kontrollerer grafénets gjennomskinnelighet. (Foto: Ming Liu)
Mikroskopbilde av nøkkelstrukturene i grafén-modulatoren. Fargene er lagt på for å vise de ulike delene. Gult er gull, grønt er platina, blått er grafén. Grafénet ligger over bølgelederen av silisium, vist i rødt. Spenningen kontrollerer grafénets gjennomskinnelighet. (Foto: Ming Liu)

- Grafénbaserte modulatorer betyr ikke bare en fartsøkning – de kan også pakke en større mengde data inn i hver enkelt pulsering, sier Zhang.

- Istedenfor bredbånd vil vi få ekstrembånd, sier han.

Kombinert med at grafénet fungerer godt sammen med silisium, blir dette et veldig attraktivt materiale for elektronikk.

Billig

Sist, men ikke minst, er grafén et relativt billig materiale å bruke, fordi det trengs lite av det.

- Grafitten i en blyant kan gi nok grafén til å produsere én million optiske modulatorer, sier Zhang.

Grafén har fått status som supermateriale siden 2004, da det først ble isolert fra grafitt, det samme grunnstoffet som finnes i “blyet” i blyanten. I fjor ble denne bragden hyllet med nobelprisen i fysikk.

Les mer: Nobelpris for supertynt materiale

Siden den gang har forskere utforsket bruksmulighetene for grafén, som også strekker seg langt utenfor elektronikkens verden.

Les mer: Framtida i en blyantstrek

Referanse:

Ming Liu, Xiaobo Yin, Erick Ulin-Avila, Baisong Geng, Thomas Zentgraf, Long Ju, Feng Wang & Xiang Zhang; A graphene-based broadband optical modulator; Nature; 8. mai 2011; DOI:doi:10.1038/nature10067.

Powered by Labrador CMS