Luz emitida desde la parte inferior de la cavidad. Los contornos punteados representan la orientación del nanoalambre de seleniuro de cadmio.
La carrera para hacer que los componentes de la computadora sean más pequeños y más rápidos y que usen menos energía está empujando los límites de las propiedades de los electrones en un material. Los sistemas fotónicos podrían eventualmente reemplazar a los electrónicos, pero los fundamentos de la computación, mezclar dos entradas en una sola salida, actualmente requieren demasiado espacio y energía cuando se hace con luz.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania han diseñado un sistema de nanocables que podría allanar el camino para esta capacidad. combinando dos ondas de luz para producir una tercera con una frecuencia diferente y usando una cavidad óptica para amplificar la intensidad de la salida a un nivel utilizable.
El estudio fue dirigido por Ritesh Agarwal, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, y Ming-Liang Ren, un investigador postdoctoral en su laboratorio. Otros miembros del laboratorio de Agarwal, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti y Liaoxin Sun, contribuido al estudio.
Fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
Los sistemas informáticos actuales representan bits de información (los 1 y 0 del código binario) con electricidad. Elementos de circuito, como transistores, operar con estas señales eléctricas, produciendo productos que dependen de sus insumos.
"Mezclar dos señales de entrada para obtener una nueva salida es la base del cálculo, ", Dijo Agarwal." Es fácil de hacer con señales eléctricas, pero no es fácil de hacer con luz, ya que las ondas de luz normalmente no interactúan entre sí ".
Un esquema de la cavidad óptica.
La dificultad inherente a "mezclar" la luz puede parecer contradictoria, dada la gama de colores en la televisión o la pantalla de la computadora que se producen únicamente mediante combinaciones de rojo, píxeles verdes y azules. Los amarillos naranjas y púrpuras que hacen esas exhibiciones, sin embargo, son un truco de percepción, no de la física. La luz roja y azul simplemente se experimentan simultáneamente, en lugar de combinarse en una sola longitud de onda púrpura.
Los materiales llamados "no lineales" son capaces de este tipo de mezcla, pero incluso los mejores candidatos en esta categoría aún no son viables para aplicaciones computacionales debido a las limitaciones de alta potencia y gran volumen.
"Un material no lineal, tal sulfuro de cadmio, puede cambiar la frecuencia, y así el color, de luz que la atraviesa, "Ren dijo, "pero necesitas un láser potente, y, aún así, el material debe tener varios micrómetros e incluso hasta milímetros de espesor. Eso no funciona para un chip de computadora ".
Para reducir el volumen del material y la potencia de la luz necesaria para realizar una mezcla de señales útil, los investigadores necesitaban una forma de amplificar la intensidad de una onda de luz al pasar a través de un nanoalambre de sulfuro de cadmio.
Los investigadores lograron esto a través de una ingeniosa ingeniería óptica:envolviendo parcialmente el nanoalambre en una capa de plata que actúa como una cámara de eco. El grupo de Agarwal había empleado un diseño similar antes en un esfuerzo por crear dispositivos fotónicos que pudieran encenderse y apagarse muy rápidamente. Esta cualidad se basaba en un fenómeno conocido como resonancia de plasmón superficial, pero, cambiando la polarización de la luz al entrar en el nanoalambre, los investigadores pudieron limitarlo mejor a la alteración de frecuencia, parte no lineal del dispositivo:el núcleo de nanocables.
"Al diseñar la estructura para que la luz esté mayormente contenida dentro del sulfuro de cadmio en lugar de en la interfaz entre este y la capa de plata, podemos maximizar la intensidad mientras generamos el segundo armónico, "Dijo Ren.
Como un segundo armónico tocado en una cuerda de guitarra, esto significó duplicar la frecuencia de la onda de luz. La información en un sistema informático fotónico podría codificarse en la frecuencia de una onda, o el número de oscilaciones que hace en un segundo. Ser capaz de manipular esa cualidad en una onda con otra permite los fundamentos de la lógica informática.
"Queremos demostrar que podemos sumar dos frecuencias de luz, "Agarwal dijo, ", por lo que simplificamos el experimento. Al tomar una frecuencia y agregarla a sí misma, obtienes el doble de frecuencia al final. Por último, queremos poder sintonizar la luz a cualquier frecuencia que se necesite, lo que se puede hacer modificando el tamaño del nanoalambre y el caparazón ".
Lo más importante, sin embargo, era que esta mezcla de frecuencias era posible a nanoescala con una eficiencia muy alta. La cavidad óptica de los investigadores pudo aumentar la intensidad de la onda de salida en más de mil veces.
"La eficiencia de cambio de frecuencia del sulfuro de cadmio es intrínseca al material, pero depende del volumen del material por el que pasa la onda, "Dijo Agarwal." Al agregar la concha plateada, podemos disminuir significativamente el volumen necesario para obtener una señal utilizable y llevar el tamaño del dispositivo a la nanoescala ".
