Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han desarrollado un interruptor óptico que enruta la luz de un chip de computadora a otro en solo 20 mil millonésimas de segundo, más rápido que cualquier otro dispositivo similar. El interruptor compacto es el primero en operar a voltajes lo suficientemente bajos como para integrarse en chips de silicio de bajo costo y redirige la luz con una pérdida de señal muy baja.

El rendimiento récord del conmutador es un nuevo paso importante hacia la construcción de una computadora que utiliza luz en lugar de electricidad para procesar la información. Depender de partículas de luz (fotones) para transportar datos dentro de una computadora ofrece varias ventajas sobre las comunicaciones electrónicas. Los fotones viajan más rápido que los electrones y no desperdician energía calentando los componentes de la computadora. Gestionar ese calor residual es una barrera importante para mejorar el rendimiento de la computadora. Las señales de luz se han utilizado durante décadas para transmitir información a grandes distancias utilizando fibras ópticas, pero las fibras ocupan demasiado espacio para ser utilizadas para transportar datos a través de un chip de computadora.

El nuevo interruptor combina oro a escala nanométrica y óptica de silicio, componentes eléctricos y mecánicos, todos densamente empaquetados, para canalizar la luz dentro y fuera de una pista de carreras en miniatura, alterar su velocidad, y cambiar su dirección de viaje. (Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro, o alrededor de una cien milésima parte del ancho de un cabello humano). El equipo internacional liderado por el NIST describe el dispositivo en línea hoy en Ciencias .

El dispositivo tiene innumerables aplicaciones, señala el coautor del estudio Christian Haffner de NIST, ETH Zurich y la Universidad de Maryland. En autos sin conductor el interruptor podría redirigir rápidamente un solo haz de luz que debe escanear continuamente todas las partes de la carretera para medir la distancia a otros automóviles y peatones. El dispositivo también podría facilitar el uso de circuitos basados ​​en luz más potentes en lugar de los basados ​​en electricidad en las redes neuronales. Se trata de sistemas de inteligencia artificial que simulan cómo las neuronas del cerebro humano toman decisiones sobre tareas tan complejas como el reconocimiento de patrones y la gestión de riesgos.

La nueva tecnología también utiliza muy poca energía para redirigir las señales de luz. Esta característica puede ayudar a realizar el sueño de la computación cuántica. Una computadora cuántica procesa los datos almacenados en las sutiles interrelaciones entre pares de partículas subatómicas especialmente preparados. Sin embargo, estas relaciones son extremadamente frágiles, requiriendo que una computadora funcione a temperaturas ultrabajas y baja potencia para que los pares de partículas se alteren lo menos posible. Debido a que el nuevo interruptor óptico requiere poca energía, a diferencia de los interruptores ópticos anteriores, podría convertirse en una parte integral de una computadora cuántica.

Haffner y sus colegas, que incluyen a Vladimir Aksyuk y Henri Lezec de NIST, dicen que sus hallazgos pueden sorprender a muchos en la comunidad científica porque los resultados contradicen creencias arraigadas. Algunos investigadores han pensado que los interruptores optoelectromecánicos no serían prácticos porque serían voluminosos, funcionan demasiado lentamente y requieren voltajes demasiado altos para que los componentes de un chip de computadora los toleren.

El interruptor aprovecha la naturaleza ondulatoria de la luz. Cuando dos ondas de luz idénticas se encuentran, pueden superponerse de manera que la cresta de una ola alinee o refuerce la cresta de la otra, creando un patrón brillante conocido como interferencia constructiva. Las dos ondas también pueden estar exactamente fuera de sintonía, para que el valle de una ola anule la cresta de la otra, resultando en un patrón oscuro - interferencia destructiva.

En la configuración del equipo, un rayo de luz se limita a viajar dentro de una carretera en miniatura, un canal en forma de tubo conocido como guía de ondas. Esta carretera lineal está diseñada para que tenga una rampa de salida; parte de la luz puede salir a una cavidad con forma de pista de carreras, a solo unos nanómetros de distancia, grabado en un disco de silicio. Si la luz tiene la longitud de onda adecuada, puede dar vueltas por la pista de carreras muchas veces antes de salir de la cavidad de silicio.

El interruptor tiene otro componente crucial:una fina membrana de oro suspendida a unas pocas decenas de nanómetros por encima del disco de silicio. Parte de la luz que viaja en la pista de carreras de silicio se filtra y golpea la membrana, induciendo grupos de electrones en la superficie de la membrana a oscilar. Estas oscilaciones, conocidos como plasmones, son una especie de híbrido entre una onda de luz y una onda de electrones:los electrones oscilantes se asemejan a la onda de luz entrante en que vibran a la misma frecuencia, pero tienen una longitud de onda mucho más corta. La longitud de onda más corta permite a los investigadores manipular los plasmones en distancias a nanoescala, mucho más corto que la longitud de la onda de luz original, antes de volver a convertir las oscilaciones en luz. Esta, Sucesivamente, permite que el interruptor óptico permanezca extremadamente compacto.

Al cambiar el ancho del espacio entre el disco de silicio y la membrana de oro en solo unos pocos nanómetros, los investigadores podrían retrasar o adelantar la fase de la onda de luz híbrida, el momento en el que la onda alcanza una cresta o un valle. Incluso variaciones minúsculas en el ancho del espacio, que el equipo logró doblando electrostáticamente la membrana de oro, alteró dramáticamente la fase.

Dependiendo de cuánto haya avanzado o retrasado el equipo la fase de la ola, cuando se recombinó con la luz que aún viajaba en la carretera en forma de tubo, los dos haces interferían constructiva o destructivamente (ver animación). Si los haces de luz coinciden para interferir constructivamente, la luz continuará en su dirección original, viajando por el tubo. Pero si los rayos de luz interfieren destructivamente, anulándose unos a otros, ese camino está bloqueado. En lugar de, la luz debe moverse en otra dirección, determinado por la orientación de otras guías de ondas, o rutas, colocado cerca del camino bloqueado. De este modo, la luz se puede cambiar a voluntad a cualquiera de los cientos de otros chips de computadora.

Los científicos habían pensado una vez que un sistema plasmónico atenuaría en gran medida las señales de luz porque los fotones penetrarían en el interior de la membrana de oro. donde los electrones absorberían gran parte de la energía luminosa.

Pero los investigadores ahora han demostrado que esa suposición es incorrecta. La compacidad del dispositivo y un diseño que aseguraba que pocos fotones penetraran en la membrana resultó en una pérdida de solo el 2.5% de la señal de luz. en comparación con el 60% de los cambios anteriores. Eso pone el interruptor aunque sigue siendo un prototipo, al alcance de aplicaciones comerciales.

El equipo ahora está trabajando para hacer que el dispositivo sea aún más pequeño acortando la distancia entre el disco de silicio y la membrana de oro. Esto reduciría aún más la pérdida de señal, haciendo que la tecnología sea aún más atractiva para la industria.