Il futuro di più veloce, un'elaborazione più efficiente delle informazioni può dipendere dalla luce piuttosto che dall'elettricità. Marco Lorenzo, uno studioso post-dottorato in scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, ha fatto un passo avanti verso questo futuro con uno schema per realizzare un diodo fotonico, un dispositivo che consente alla luce di fluire solo in una direzione, che, a differenza di altri diodi a base di luce, è abbastanza piccolo per l'elettronica di consumo.

Tutto quello che doveva fare era progettare strutture più piccole del microscopio e rompere una simmetria fondamentale della fisica.

"I diodi sono onnipresenti nell'elettronica moderna, dai LED (diodi emettitori di luce) alle celle solari (essenzialmente i LED funzionano al contrario) ai circuiti integrati per l'informatica e le comunicazioni, "ha detto Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e autore senior del documento che descrive questo lavoro, pubblicato il 24 luglio in Comunicazioni sulla natura . "Raggiungere compatto, diodi fotonici efficienti è fondamentale per consentire l'elaborazione di prossima generazione, tecnologie di comunicazione e persino di conversione dell'energia".

A questo punto, Dionne e Lawrence hanno progettato il nuovo diodo fotonico e ne hanno verificato la progettazione con simulazioni e calcoli al computer. Hanno anche creato le nanostrutture necessarie, i componenti personalizzati più piccoli del microscopio, e stanno installando la fonte di luce che sperano darà vita al loro sistema teorizzato.

"Una grande visione è quella di avere un computer completamente ottico in cui l'elettricità è completamente sostituita dalla luce e i fotoni guidano tutta l'elaborazione delle informazioni, " ha detto Lawrence. "La maggiore velocità e larghezza di banda della luce consentirebbe soluzioni più rapide ad alcuni dei più difficili problemi scientifici, problemi matematici ed economici”.

Luce rotante, infrangere le leggi

Le sfide principali di un diodo a base di luce sono duplici. Primo, seguendo le leggi della termodinamica, la luce dovrebbe muoversi in avanti attraverso un oggetto senza parti in movimento esattamente nello stesso modo in cui si muoverebbe all'indietro. Farla scorrere in una direzione richiede nuovi materiali che capovolgano questa legge, rompendo quella che è nota come simmetria di inversione del tempo. Secondo, la luce è molto più difficile da manipolare dell'elettricità perché non ha carica.

Altri ricercatori hanno già affrontato queste sfide facendo passare la luce attraverso un polarizzatore, che fa oscillare le onde luminose in una direzione uniforme, e poi attraverso un materiale cristallino all'interno di un campo magnetico, che ruota la polarizzazione della luce. Finalmente, un altro polarizzatore abbinato a quella polarizzazione fa uscire la luce con una trasmissione quasi perfetta. Se la luce attraversa il dispositivo nella direzione opposta, non esce luce.

Lawrence ha descritto l'azione a senso unico di questa configurazione in tre parti, noto come isolatore di Faraday, come percorrere un marciapiede in movimento tra due porte, dove il marciapiede svolge il ruolo del campo magnetico. Anche se provassi a tornare indietro attraverso l'ultima porta, il marciapiede di solito ti impedisce di raggiungere la prima porta.

Per produrre una rotazione sufficientemente forte della polarizzazione della luce, questi tipi di diodi devono essere relativamente grandi, troppo grandi per essere inseriti in computer o smartphone consumer. In alternativa, Dionne e Lawrence hanno escogitato un modo per creare la rotazione nel cristallo usando un altro raggio di luce invece di un campo magnetico. Questo raggio è polarizzato in modo che il suo campo elettrico assuma un movimento a spirale che, a sua volta, genera vibrazioni acustiche rotanti nel cristallo che gli conferiscono capacità di rotazione simili a quelle magnetiche e consentono a più luce di uscire. Per rendere la struttura piccola ed efficiente, il laboratorio Dionne ha fatto affidamento sulla sua esperienza nella manipolazione e nell'amplificazione della luce con minuscole nano-antenne e materiali nanostrutturati chiamati metasuperfici.

I ricercatori hanno progettato array di dischi di silicio ultrasottili che funzionano in coppia per intrappolare la luce e migliorare il suo movimento a spirale finché non trova la via d'uscita. Ciò si traduce in un'elevata trasmissione in avanti. Quando è illuminato all'indietro, le vibrazioni acustiche ruotano nella direzione opposta e aiutano ad annullare l'eventuale luce che cerca di uscire. Teoricamente, non c'è limite a quanto piccolo questo sistema potrebbe essere. Per le loro simulazioni, hanno immaginato strutture sottili come 250 nanometri. (Per riferimento, un foglio di carta è circa 100, 000 nanometri di spessore.)

Cosa è possibile?

Quadro generale, i ricercatori sono particolarmente interessati a come le loro idee potrebbero influenzare lo sviluppo di computer simili al cervello, chiamati computer neuromorfici. Questo obiettivo richiederà anche ulteriori progressi in altri componenti basati sulla luce, come sorgenti luminose e interruttori su nanoscala.

"I nostri dispositivi nanofotonici possono permetterci di imitare il modo in cui i neuroni elaborano, fornendo al calcolo la stessa elevata interconnettività ed efficienza energetica del cervello, ma con velocità di calcolo molto più elevate, " Disse Dionne.

"Possiamo portare queste idee in così tante direzioni, " Ha detto Lawrence. "Non abbiamo trovato i limiti del calcolo ottico classico o quantistico e dell'elaborazione delle informazioni ottiche. Un giorno potremmo avere un chip completamente ottico che fa tutto ciò che fa l'elettronica e altro ancora".