Si las computadoras transmiten datos usando fotones en lugar de electrones, funcionarían mejor y usarían menos energía. Los investigadores europeos están estudiando ahora una nueva aleación emisora ​​de luz de silicio y germanio para obtener chips fotónicos. que puede revolucionar la informática

Durante los últimos 50 años, fotones, las partículas que componen la luz, han reemplazado a los electrones para la transferencia de datos en las redes de comunicación. El gran ancho de banda de las señales ópticas ha impulsado el enorme crecimiento de los sistemas telefónicos, retransmisiones televisivas e internet.

Sin embargo, los fotones aún no han reemplazado a los electrones en las computadoras. El uso de luz para transmitir datos en chips de procesador y sus interconexiones permitiría un aumento sustancial en la velocidad de las computadoras (la velocidad de comunicación en chip y chip a chip podría incrementarse en un factor de 1000) y al mismo tiempo, Reducir la potencia necesaria para que funcionen.

Los chips de microprocesador avanzados pueden contener decenas de miles de millones de transistores, y sus interconexiones eléctricas de cobre producen grandes cantidades de calor cuando están en funcionamiento. A diferencia de los fotones, los electrones tienen masa y carga eléctrica. Al fluir a través de metales o material semiconductor, están dispersos por los átomos de silicio y metal, haciendo que vibren y produzcan calor. Por lo tanto, la mayor parte de la energía suministrada a un microprocesador se desperdicia.

El desafío de emitir luz a partir del silicio

Hoy dia, la industria electrónica está preparada para usar silicio en chips de computadora debido a sus ventajosas propiedades electrónicas y disponibilidad. Es un buen semiconductor, un elemento abundante, y, como óxido de silicio, constituyente del vidrio y la arena.

Sin embargo, el silicio no es muy bueno para lidiar con la luz debido a su estructura cristalina. Por ejemplo, no puede generar fotones ni controlar su flujo para el procesamiento de datos. Los investigadores han investigado materiales emisores de luz como el arseniuro de galio y la fosfina de indio, pero su aplicación en computadoras sigue siendo limitada porque no se integran bien con la tecnología de silicio actual.

Dar forma a los chips fotónicos:hacia una revolución en la industria electrónica

Recientemente, Investigadores europeos informaron en la revista Naturaleza una aleación innovadora de silicio y germanio que es ópticamente activa. Es un primer paso, dice Jos Haverkort, un físico de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos:"Demostramos que este material es muy adecuado para la emisión de luz, y que es compatible con el silicio ".

El siguiente paso es desarrollar un láser compatible con silicio que se integrará en los circuitos electrónicos como la fuente de luz de los chips fotónicos. Este es el objetivo último del proyecto SiLAS, apoyado por el programa de la UE FET. El equipo, dirigido por Erik Bakkers de la Universidad de Eindhoven, también incluye investigadores de las universidades de Jena y Munich en Alemania, Linz en Austria, Oxford en el Reino Unido y de IBM en Suiza.

Para crear el láser, los científicos combinaron silicio y germanio en una estructura hexagonal que es capaz de emitir luz, superando los inconvenientes del silicio, en el que los átomos están dispuestos en un patrón de cubos. Fue un proyecto difícil. Un intento inicial de convencer al silicio para que adopte una estructura hexagonal mediante el depósito de átomos de silicio en una capa de germanio hexagonal fracasó.

El silicio se niega obstinadamente a cambiar su estructura cúbica cuando se cultiva en germanio hexagonal plano, explica Jonathan Finley de la Universidad Técnica de Munich, que participó en la investigación midiendo las propiedades ópticas de las muestras de silicio creadas. "Hay que convencer a la naturaleza para que permita el crecimiento de esta forma inusual de germanio de silicio. Le gusta crecer cúbico, eso es lo que hace, " él dice.

Sin embargo, A través de los años, el grupo de investigación de Eindhoven ha desarrollado experiencia en el cultivo de nanotubos, y razonó que lo que no funciona en una superficie plana de germanio podría funcionar en una superficie curva de un nanotubo. Y esta vez las cosas salieron bien. "Lo que hicimos fue utilizar un nanoalambre de arseniuro de galio, que tiene una estructura hexagonal. Entonces teníamos un vástago hexagonal, y creamos una capa de silicona alrededor del núcleo, que también tenía una estructura hexagonal, "dice Haverkort.

Variando la cantidad de silicio y germanio depositados en los nanotubos, los investigadores encontraron que la aleación hexagonal era capaz de emitir luz cuando la concentración de germanio estaba por encima del 65 por ciento.

El siguiente paso es una demostración de láser, en otras palabras, determinar cómo la aleación de silicio-germanio puede amplificar y emitir luz como un láser, y medirlo.

Hay varias preguntas abiertas por resolver antes de que el germanio de silicio pueda integrarse completamente con la electrónica basada en silicio. comenta Haverkort:"Primero, estos dispositivos tienen que integrarse con las tecnologías existentes y eso sigue siendo un obstáculo ". Espera que las futuras computadoras cuánticas utilicen aplicaciones como LED de bajo costo basados ​​en silicio, láseres de fibra óptica, sensores de luz, y puntos cuánticos emisores de luz.

En general, el cambio de la comunicación eléctrica a la óptica impulsará la innovación en muchos sectores, desde radares láser para conducción autónoma hasta sensores para diagnóstico médico o detección de contaminación del aire en tiempo real.