La investigación dirigida por el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge ha identificado un material que podría ayudar a abordar la velocidad y la energía, los dos mayores desafíos para las computadoras del futuro.

La investigación en el campo de la computación basada en la luz, que utiliza luz en lugar de electricidad para que la computación vaya más allá de los límites de las computadoras actuales, avanza rápidamente, pero siguen existiendo barreras en el desarrollo de la conmutación óptica, el proceso mediante el cual la luz se "enciende" y "apaga" fácilmente, reflejando o transmitiendo luz bajo demanda.

El estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , muestra que un material conocido como Ta ₂ NiSe ₅ podría cambiar entre una ventana y un espejo en una billonésima de segundo cuando lo golpeara un pulso láser corto, allanando el camino para el desarrollo de la conmutación ultrarrápida en las computadoras del futuro.

El material parece un trozo de mina de lápiz y actúa como aislante a temperatura ambiente. lo que significa que cuando la luz infrarroja incide en el material en este estado aislante, pasa directamente a través como una ventana. Sin embargo, cuando se calienta, el material se convierte en un metal que actúa como un espejo y refleja la luz.

"Sabíamos que Ta ₂ NiSe ₅ podía cambiar entre una ventana y un espejo cuando se calentaba, pero calentar un objeto es un proceso muy lento, "dijo el Dr. Akshay Rao, Profesor de la Universidad Harding en el Laboratorio Cavendish, quien dirigió la investigación. "Lo que han demostrado nuestros experimentos es que un pulso láser corto también puede desencadenar este 'giro' en solo 10 ^-15 segundos. Esto es un millón de veces más rápido que los conmutadores de nuestras computadoras actuales ".

Los investigadores estaban investigando el comportamiento del material para mostrar la existencia de una nueva fase de la materia llamada 'aislante excitónico', que ha sido un desafío experimental de encontrar desde que se teorizó por primera vez en la década de 1960.

"Esta fase de aislamiento excitónico se parece en muchos aspectos a un aislante muy normal, pero una forma de distinguir entre un aislante inusual y ordinario es ver exactamente cuánto tiempo tarda en convertirse en metal, "dijo Rao." Para asuntos normales, pasar de un aislante a un metal es como derretir un cubo de hielo. Los propios átomos mueven posiciones y se reorganizan, haciéndolo un proceso lento. Pero en un aislante excitónico, esto podría suceder muy rápido porque los átomos mismos no necesitan moverse para cambiar de fase. Si pudiéramos encontrar una manera de medir qué tan rápido ocurre esta transición, potencialmente podríamos desenmascarar el aislante excitónico ".

Para hacer estos experimentos, los investigadores utilizaron una secuencia de pulsos de láser muy cortos para perturbar primero el material y luego medir cómo cambiaba su reflexión. A temperatura ambiente, encontraron que cuando Ta ₂ NiSe ₅ fue golpeado por un fuerte pulso de láser, exhibió firmas del estado metálico de inmediato, convirtiéndose en un espejo en una escala de tiempo más rápido de lo que podrían resolver. Esto proporcionó una fuerte evidencia de la naturaleza aislante excitónica de Ta ₂ NiSe ₅ .

"Este trabajo no solo elimina el camuflaje del material, abriendo más estudios sobre su inusual comportamiento mecánico cuántico, También destaca la capacidad única de este material de actuar como un interruptor ultrarrápido, "dijo la primera autora Hope Bretscher, también del Laboratorio Cavendish. "De hecho, para que el interruptor óptico sea efectivo, no solo debe pasar rápidamente de la fase aislante a la metálica, pero el proceso inverso también debe ser rápido.

"Descubrimos que Ta ₂ NiSe ₅ volvió a un estado aislante rápidamente, mucho más rápido que otros materiales de cambio candidatos. Esta capacidad de pasar del espejo, a la ventana, para reflejar de nuevo, lo hacen extremadamente atractivo para aplicaciones informáticas ".

"La ciencia es un proceso complicado y en evolución, y creemos que hemos podido llevar esta discusión un paso adelante. No solo ahora podemos comprender mejor las propiedades de este material, pero también descubrimos una aplicación potencial interesante para él, "dijo el coautor, el profesor Ajay Sood, del Instituto Indio de Ciencias en Bangalore.

"Mientras que prácticamente produce interruptores cuánticos con Ta ₂ NiSe ₅ puede que todavía esté muy lejos, haber identificado un nuevo enfoque para el creciente desafío de la velocidad y el uso de energía de las computadoras es un desarrollo emocionante, "dijo Rao.