Negli ultimi quattro decenni, l'industria elettronica è stata guidata da quella che viene chiamata "legge di Moore, " che non è una legge ma più un assioma o un'osservazione. Effettivamente, suggerisce che i dispositivi elettronici raddoppiano in velocità e capacità circa ogni due anni. E senza dubbio, ogni anno le aziende tecnologiche escono con nuovi, Più veloce, gadget più intelligenti e migliori.

Nello specifico, La legge di Moore, come articolato dal cofondatore di Intel Gordon Moore, è che "Il numero di transistor incorporati in un chip raddoppierà approssimativamente ogni 24 mesi". transistor, piccoli interruttori elettrici, sono l'unità fondamentale che guida tutti i gadget elettronici a cui possiamo pensare. Man mano che diventano più piccoli, diventano anche più veloci e consumano meno elettricità per funzionare.

Nel mondo della tecnologia, una delle domande più grandi del 21° secolo è:quanto piccoli possiamo realizzare i transistor? Se c'è un limite a quanto piccoli possono diventare, potremmo raggiungere un punto in cui non possiamo più continuare a rimpicciolire, più potente, dispositivi più efficienti. È un settore con oltre 200 miliardi di dollari di entrate annuali solo negli Stati Uniti. Potrebbe smettere di crescere?

Avvicinarsi al limite

Al momento, aziende come Intel stanno producendo in serie transistor di 14 nanometri di diametro, solo 14 volte più larghi delle molecole di DNA. Sono fatti di silicio, il secondo materiale più abbondante sul nostro pianeta. La dimensione atomica del silicio è di circa 0,2 nanometri.

I transistor di oggi sono larghi circa 70 atomi di silicio, quindi la possibilità di renderli ancora più piccoli si sta riducendo di per sé. Ci stiamo avvicinando molto al limite di quanto piccolo possiamo fare un transistor.

Attualmente, i transistor utilizzano segnali elettrici – elettroni che si spostano da un luogo all'altro – per comunicare. Ma se potessimo usare la luce, costituito da fotoni, al posto dell'elettricità, potremmo rendere i transistor ancora più veloci. Il mio lavoro, sulla ricerca di modi per integrare l'elaborazione basata sulla luce con i chip esistenti, fa parte di quello sforzo nascente.

Mettere luce dentro un chip

Un transistor ha tre parti; pensali come parti di una fotocamera digitale. Primo, le informazioni entrano nell'obiettivo, analogo alla sorgente di un transistor. Quindi viaggia attraverso un canale dal sensore di immagine ai fili all'interno della fotocamera. E infine, le informazioni sono memorizzate sulla scheda di memoria della fotocamera, che è chiamato "drain" di un transistor, dove alla fine finisce l'informazione.

Proprio adesso, tutto ciò accade spostando gli elettroni in giro. Per sostituire la luce come mezzo, abbiamo invece bisogno di spostare i fotoni. Le particelle subatomiche come elettroni e fotoni viaggiano con un moto ondoso, vibrando su e giù anche se si muovono in una direzione. La lunghezza di ogni onda dipende da cosa sta attraversando.

Nel silicio, la lunghezza d'onda più efficiente per i fotoni è di 1,3 micrometri. Questo è molto piccolo:un capello umano ha un diametro di circa 100 micrometri. Ma gli elettroni nel silicio sono ancora più piccoli, con lunghezze d'onda da 50 a 1, 000 volte più breve dei fotoni.

Ciò significa che l'attrezzatura per gestire i fotoni deve essere più grande dei dispositivi di gestione degli elettroni che abbiamo oggi. Quindi potrebbe sembrare che ci costringa a costruire transistor più grandi, piuttosto che quelli più piccoli.

Però, per due motivi, potremmo mantenere i chip della stessa dimensione e fornire più potenza di elaborazione, ridurre i trucioli fornendo la stessa potenza, o, potenzialmente entrambi. Primo, un chip fotonico necessita solo di poche sorgenti luminose, generando fotoni che possono poi essere diretti intorno al chip con lenti e specchi molto piccoli.

E secondo, la luce è molto più veloce degli elettroni. In media i fotoni possono viaggiare circa 20 volte più velocemente degli elettroni in un chip. Ciò significa che computer 20 volte più veloci, un aumento di velocità che richiederebbe circa 15 anni per essere raggiunto con la tecnologia attuale.

Gli scienziati hanno dimostrato progressi verso i chip fotonici negli ultimi anni. Una sfida chiave è assicurarsi che i nuovi chip basati sulla luce possano funzionare con tutti i chip elettronici esistenti. Se siamo in grado di capire come farlo - o anche di utilizzare transistor a base di luce per migliorare quelli elettronici - potremmo vedere un significativo miglioramento delle prestazioni.

Quando posso ottenere un laptop o uno smartphone basato sulla luce?

Abbiamo ancora molta strada da fare prima che il primo dispositivo consumer raggiunga il mercato, e il progresso richiede tempo. Il primo transistor è stato realizzato nell'anno 1907 utilizzando tubi a vuoto, che erano tipicamente alti tra uno e sei pollici (in media 100 mm). Nel 1947, fu inventato l'attuale tipo di transistor, quello che ora misura solo 14 nanometri, ed era lungo 40 micrometri (circa 3, 000 volte più lungo di quello attuale). E nel 1971 il primo microprocessore commerciale (la centrale elettrica di qualsiasi gadget elettronico) fu 1, 000 volte più grande di oggi quando è stato rilasciato.

I vasti sforzi di ricerca e la conseguente evoluzione osservati nell'industria elettronica stanno solo iniziando nell'industria fotonica. Di conseguenza, l'elettronica attuale può svolgere compiti molto più complessi dei migliori dispositivi fotonici attuali. Ma man mano che la ricerca procede, la capacità della luce raggiungerà, e alla fine superare, velocità dell'elettronica Per quanto tempo ci voglia per arrivarci, il futuro della fotonica è luminoso.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.