Detektor fotospintroniczny to element konwersji charakteryzujący się ultrakrótkim czasem odpowiedzi. Przy użyciu światła o długości fali 800 nm parametr ten jest równy zaledwie 20 pikosekund. Jest to 10 razy szybciej niż w konwencjonalnych fotodetektorach półprzewodnikowych. Rozwiązanie zostało opracowane przez TDK. Detektor ten jest oparty na zjawiskach magnetycznych i może wykrywać zarówno światło bliskiej podczerwieni, jak i światło widzialne. Pierwsze próby nowego wyrobu zostały pomyślnie zademonstrowane we współpracy z Uniwersytetem Nihon w Japonii, znanym z podstawowych badań fizycznych. Układ może być stosowany w technologii konwersji fotoelektronicznej, która powinna poprawić szybkość przetwarzania danych i zmniejszyć zużycie energii. Ma to kluczowe znaczenie dla dalszej ewolucji sztucznej inteligencji.

Jest to pierwszy na świecie* „Spin Photo Detector”, foto-spintroniczny element konwersji łączący elementy optyczne, elektroniczne i magnetyczne.

Przesyłanie ogromnych ilości danych z większą prędkością i przy niższym zużyciu energii jest nieuniknioną potrzebą wynikającą z systematycznego rozwoju sztucznej inteligencji. Aby przetwarzać dane i wykonywać obliczenia, dane są obecnie przesyłane między układami CPU/GPU, a także z i do pamięci za pomocą sygnałów elektrycznych. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na komunikację optyczną i połączenia optyczne, które zapewniają wysokie prędkości, które dodatkowo nie zmniejszają się wraz z odległością między połączeniami. Technologia konwersji fotoelektronicznej również zyskuje globalne zainteresowanie jako bardzo kompaktowe połączenie elementów optycznych i elektronicznych.

Autorskie rozwiązanie TDK

Aby sprostać tym wyzwaniom, firma TDK dostosowała do fotoniki swoją technologię magnetycznego złącza tunelowego (MTJ), która jest obecnie stosowana w miliardach głowic dysków twardych. Jedną z głównych zalet tej technologii jest to, że nie wymaga wzrostu kryształów przy użyciu podłoża monokrystalicznego, a urządzenie może być formowane niezależnie od materiału podłoża. Dla porównania, konwencjonalne fotodetektory oparte na półprzewodnikach mają fizyczne ograniczenia przy krótszych długościach fal. Fotodetektor spinowy ma zupełnie inną zasadę działania, opiera się na zjawisku nagrzewania elektronów, co powoduje, że może działać z bardzo dużymi prędkościami nawet przy skróconej długości fali^[1]. Ponadto zakres długości fal roboczych jest szeroki. Może on działać w zakresie od światła widzialnego do bliskiej podczerwieni, co zostało potwierdzone.

Dodatkowo, dzięki możliwości wykrywania światła widzialnego przy dużych prędkościach, fotodetektor spinowy będzie przydatny w przyszłych zastosowaniach, takich jak szybkie czujniki obrazu i urządzenia do inteligentnych okularów AR/VR. W przeciwieństwie do konwencjonalnych fotodetektorów półprzewodnikowych, które mają słabą odporność na promieniowanie kosmiczne, elementy MTJ są znane ze swojej silnej odporności na ten rodzaj promieniowania. Oczekuje się, że będą wykorzystywane jako elementy wykrywające światło w zastosowaniach lotniczych.

TDK konsekwentnie pracuje nad udoskonalaniem szybkich detektorów światła, co powinno skutkować dalszym zwiększeniem ich cech użytkowych.

^* Od kwietnia 2025 r., zgodnie z badaniami TDK
^[1] J. Phys. D: Appl. Phys. 58 06LT01 (2025), “Spin photo detector by using a CoFeB magnetic tunnel junction”
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ad9284/meta

Słowniczek:

Konwersja fotoelektryczna: Technologia łącząca elementy optyczne i elektroniczne
Konwersja foto-spintroniczna: Termin zaproponowany przez TDK, który łączy elementy optyczne, elektroniczne i magnetyczne
HDD: Dysk twardy
CPU: Jednostka centralna
GPU: Procesor graficzny
Spin: podstawowa właściwość cząstek, takich jak elektrony, która opisuje rodzaj wewnętrznej rotacji
MTJ: Magnetyczne złącze tunelowe
AR: Rzeczywistość rozszerzona
VR: Rzeczywistość wirtualna