El futuro de lo más rápido El procesamiento de información más eficiente puede reducirse a la luz en lugar de a la electricidad. Mark Lawrence, un becario postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, se ha acercado un paso más a este futuro con un esquema para hacer un diodo fotónico, un dispositivo que permite que la luz fluya solo en una dirección, que, a diferencia de otros diodos basados ​​en luz, es lo suficientemente pequeño para la electrónica de consumo.

Todo lo que tenía que hacer era diseñar estructuras más pequeñas que microscópicas y romper una simetría fundamental de la física.

"Los diodos son omnipresentes en la electrónica moderna, desde LED (diodos emisores de luz) hasta células solares (esencialmente los LED funcionan al revés) hasta circuitos integrados para informática y comunicaciones, "dijo Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del artículo que describe este trabajo, publicado el 24 de julio en Comunicaciones de la naturaleza . "Lograr compactos, diodos fotónicos eficientes es primordial para permitir la computación de próxima generación, tecnologías de comunicación e incluso de conversión de energía ".

En este punto, Dionne y Lawrence han diseñado el nuevo diodo de fotones y han comprobado su diseño con simulaciones y cálculos por computadora. También han creado las nanoestructuras necesarias, los componentes personalizados más pequeños que microscópicos, y están instalando la fuente de luz que esperan que dé vida a su sistema teorizado.

"Una gran visión es tener una computadora totalmente óptica donde la electricidad sea reemplazada completamente por luz y los fotones controlen todo el procesamiento de la información, "Dijo Lawrence." El aumento de la velocidad y el ancho de banda de la luz permitiría soluciones más rápidas para algunos de los científicos más difíciles, problemas matemáticos y económicos ".

Luz giratoria violar las leyes

Los principales desafíos de un diodo basado en luz son dobles. Primero, siguiendo las leyes de la termodinámica, la luz debe moverse hacia adelante a través de un objeto sin partes móviles exactamente de la misma manera que se movería hacia atrás. Hacer que fluya en una dirección requiere nuevos materiales que anulen esta ley, rompiendo lo que se conoce como simetría de inversión del tiempo. Segundo, la luz es mucho más difícil de manipular que la electricidad porque no tiene carga.

Otros investigadores han abordado previamente estos desafíos haciendo pasar la luz a través de un polarizador, que hace que las ondas de luz oscilen en una dirección uniforme, y luego a través de un material cristalino dentro de un campo magnético. que gira la polarización de la luz. Finalmente, otro polarizador adaptado a esa polarización hace que la luz salga con una transmisión casi perfecta. Si la luz pasa a través del dispositivo en la dirección opuesta, no se apaga la luz.

Lawrence describió la acción unidireccional de esta configuración de tres partes, conocido como aislador de Faraday, similar a tomar una acera en movimiento entre dos puertas, donde la acera juega el papel del campo magnético. Incluso si intentaste retroceder por la última puerta, la acera normalmente le impedirá llegar a la primera puerta.

Para producir una rotación lo suficientemente fuerte de la polarización de la luz, estos tipos de diodos deben ser relativamente grandes, demasiado grandes para caber en computadoras de consumo o teléfonos inteligentes. Como alternativa, A Dionne y Lawrence se les ocurrió una forma de crear rotación en el cristal utilizando otro rayo de luz en lugar de un campo magnético. Este rayo está polarizado de modo que su campo eléctrico adquiere un movimiento en espiral que, Sucesivamente, genera vibraciones acústicas giratorias en el cristal que le otorgan capacidades de giro de tipo magnético y permiten que salga más luz. Para hacer que la estructura sea pequeña y eficiente, el laboratorio de Dionne se basó en su experiencia en la manipulación y amplificación de la luz con diminutas nano antenas y materiales nanoestructurados llamados metasuperficies.

Los investigadores diseñaron matrices de discos de silicio ultradelgados que funcionan en pares para atrapar la luz y mejorar su movimiento en espiral hasta que encuentra la salida. Esto da como resultado una alta transmisión en la dirección de avance. Cuando se ilumina hacia atrás, las vibraciones acústicas giran en la dirección opuesta y ayudan a cancelar cualquier luz que intente salir. Teóricamente No hay límite para lo pequeño que podría ser este sistema. Por sus simulaciones, imaginaron estructuras tan delgadas como 250 nanómetros. (Para referencia, una hoja de papel es aproximadamente 100, 000 nanómetros de espesor.)

Que es posible

Cuadro grande, los investigadores están particularmente interesados ​​en cómo sus ideas podrían influir en el desarrollo de computadoras similares a cerebros, llamadas computadoras neuromórficas. Este objetivo también requerirá avances adicionales en otros componentes basados ​​en la luz, como interruptores y fuentes de luz a nanoescala.

"Nuestros dispositivos nanofotónicos pueden permitirnos imitar cómo calculan las neuronas, dando a la computación la misma alta interconectividad y eficiencia energética del cerebro, pero con velocidades informáticas mucho más rápidas, "Dijo Dionne.

"Podemos llevar estas ideas en muchas direcciones, "Dijo Lawrence." No hemos encontrado los límites de la computación óptica clásica o cuántica y el procesamiento de información óptica. Algún día podríamos tener un chip totalmente óptico que haga todo lo que hace la electrónica y más ".