Un equipo de investigación internacional dirigido por Skoltech e IBM ha creado un interruptor óptico extremadamente eficiente en energía que podría reemplazar a los transistores electrónicos en una nueva generación de computadoras que manipulan fotones en lugar de electrones. Además del ahorro de energía directo, el interruptor no requiere refrigeración y es realmente rápido:a 1 billón de operaciones por segundo, está entre 100 y 1, 000 veces más rápido que los transistores comerciales de primera categoría de la actualidad. El estudio sale el miércoles en Naturaleza .

"Lo que hace que el nuevo dispositivo sea tan eficiente energéticamente es que solo se necesitan unos pocos fotones para cambiar, "el primer autor del estudio, Comentó el Dr. Anton Zasedatelev. "De hecho, en nuestros laboratorios de Skoltech logramos cambiar con un solo fotón a temperatura ambiente. Dicho eso queda un largo camino por recorrer antes de que dicha demostración de prueba de principio se utilice en un coprocesador totalmente óptico, "añadió el profesor Pavlos Lagoudakis, quien dirige los Laboratorios de Fotónica Híbrida en Skoltech.

Dado que un fotón es la partícula de luz más pequeña que existe en la naturaleza, Realmente no hay mucho margen de mejora más allá de eso en lo que respecta al consumo de energía. La mayoría de los transistores eléctricos modernos requieren decenas de veces más energía para cambiar, y los que usan electrones individuales para lograr eficiencias comparables son mucho más lentos.

Además de los problemas de rendimiento, los transistores electrónicos de ahorro de energía de la competencia también tienden a requerir equipos de refrigeración voluminosos. que a su vez consume energía e influye en los costos operativos. El nuevo interruptor funciona cómodamente a temperatura ambiente y, por lo tanto, evita todos estos problemas.

Además de su función primaria similar a un transistor, el conmutador podría actuar como un componente que vincula los dispositivos enviando datos entre ellos en forma de señales ópticas. También puede servir como amplificador, aumentar la intensidad de un rayo láser entrante en un factor de hasta 23, 000.

Cómo funciona

El dispositivo se basa en dos láseres para establecer su estado en "0" o "1" y para cambiar entre ellos. Se utiliza un rayo láser de control muy débil para girar otro, rayo láser más brillante encendido o apagado. Solo se necesitan unos pocos fotones en el haz de control, de ahí la alta eficiencia del dispositivo.

El cambio ocurre dentro de una microcavidad, un polímero semiconductor orgánico delgado de 35 nanómetros intercalado entre estructuras inorgánicas altamente reflectantes. La microcavidad está construida de tal manera que mantiene la luz entrante atrapada en el interior el mayor tiempo posible para favorecer su acoplamiento con el material de la cavidad.

Este acoplamiento de materia ligera forma la base del nuevo dispositivo. Cuando los fotones se acoplan fuertemente a pares de electrones y huecos unidos, también conocidos como excitones, en el material de la cavidad, esto da lugar a entidades de corta duración llamadas excitón-polaritones, que son una especie de cuasipartículas en el corazón del funcionamiento del interruptor.

Cuando el láser de la bomba, el más brillante de los dos, brilla en el interruptor, esto crea miles de cuasipartículas idénticas en la misma ubicación, formando el llamado condensado de Bose-Einstein, que codifica los estados lógicos "0" y "1" del dispositivo.

Para cambiar entre los dos niveles del dispositivo, el equipo utilizó un pulso láser de control para sembrar el condensado poco antes de la llegada del pulso láser de la bomba. Como resultado, estimula la conversión de energía del láser de la bomba, aumentando la cantidad de cuasipartículas en el condensado. La gran cantidad de partículas que contiene corresponde al estado "1" del dispositivo.

Los investigadores utilizaron varios ajustes para garantizar un bajo consumo de energía:primero, la conmutación eficiente se vio favorecida por las vibraciones de las moléculas del polímero semiconductor. El truco consistía en hacer coincidir la brecha de energía entre los estados de bombeo y el estado de condensado con la energía de una vibración molecular particular en el polímero. Segundo, el equipo logró encontrar la longitud de onda óptima para sintonizar su láser e implementó un nuevo esquema de medición que permite la detección de condensado de un solo disparo. Tercera, el láser de control que siembra el condensado y su esquema de detección se emparejaron de una manera que suprimió el ruido de la emisión "de fondo" del dispositivo. Estas medidas maximizaron el nivel de señal a ruido del dispositivo y evitaron que la microcavidad absorbiera un exceso de energía. que sólo serviría para calentarlo mediante vibraciones moleculares.

"Aún queda trabajo por delante para reducir el consumo de energía general de nuestro dispositivo, que actualmente está dominado por la bomba láser que mantiene el interruptor encendido. Una ruta hacia ese objetivo podrían ser los materiales de supercristales de perovskita como los que estamos explorando con nuestros colaboradores. Han demostrado ser excelentes candidatos dado su fuerte acoplamiento luz-materia que a su vez conduce a una poderosa respuesta cuántica colectiva en forma de superfluorescencia. "comenta el equipo.

En el esquema más amplio de las cosas, los investigadores ven su nuevo interruptor como uno más en el creciente conjunto de herramientas de componentes totalmente ópticos que han estado ensamblando durante los últimos años. Entre otras cosas, incluye una guía de ondas de silicio de baja pérdida para trasladar las señales ópticas entre transistores. El desarrollo de estos componentes nos acerca cada vez más a las computadoras ópticas que manipularían fotones en lugar de electrones. resultando en un rendimiento muy superior y un menor consumo de energía.