Oggi, i dispositivi elettrici bistabili sono il fondamento dell'elettronica digitale, fungendo da elementi costitutivi di interruttori, porte logiche e memorie nei sistemi informatici. Però, la larghezza di banda di questi calcolatori elettronici è limitata dal ritardo del segnale delle costanti di tempo importanti per le operazioni logiche elettroniche. Nel tentativo di mitigare questi problemi, gli scienziati hanno considerato lo sviluppo di un computer digitale ottico, e un team è arrivato al punto di dimostrare la bistabilità ottica ed elettrica per la commutazione in un singolo transistor.

Questa settimana, nel Rivista di fisica applicata , un team di ricerca dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign presenta le proprie scoperte sulla bistabilità ottica ed elettrica di un singolo transistor azionato a temperatura ambiente.

Prima di questo lavoro, i pozzi quantistici sono stati incorporati vicino al collettore nella base di un transistor bipolare a eterogiunzione III-V, con conseguente riduzione della durata della ricombinazione spontanea radiativa del dispositivo. La larghezza di banda di modulazione della corrente laser è correlata alle durate di ricombinazione della radiazione elettrone-lacuna, tempi di vita dei fotoni e densità dei fotoni delle cavità.

In un metodo brevettato da due degli autori dell'articolo, spesso indicato come l'idea di Feng e Holonyak, l'assorbimento ottico può essere ulteriormente potenziato dall'intensità del fotone coerente della cavità del laser a transistor. Utilizzando la proprietà unica della modulazione tunneling assistita da fotoni intracavità, i ricercatori sono stati in grado di stabilire una base per la modulazione diretta della tensione laser e la commutazione a velocità elevate di gigahertz.

I ricercatori hanno scoperto che le bistabilita' elettriche e ottiche del laser a transistor sono controllabili dalla corrente di base e dalla tensione del collettore. Si è scoperto che la commutazione di corrente è dovuta allo spostamento dell'operazione di base del transistor tra il processo di ricombinazione elettrone-lacuna stimolato e spontaneo nel pozzo quantistico-base.

Secondo Milton Feng, del gruppo di ricerca, questa è stata la prima volta che è stato fatto.

"Abbiamo messo un transistor all'interno di una cavità ottica, e la cavità ottica controlla la densità dei fotoni nel sistema. Così, se uso il tunneling per assorbire il fotone, e poi il pozzo quantistico per generare il fotone, quindi fondamentalmente posso sintonizzare la tensione e controllare la corrente la commutazione elettrica e ottica tra stato coerente e incoerente per la luce, e tra ricombinazione stimolata e spontanea per la corrente, " ha detto Feng.

Rispetto alle indagini precedenti, che conteneva isteresi ottica in cavità contenenti mezzi di guadagno non lineari assorbenti e disperdenti, i principi di funzionamento come processi fisici e meccanismi operativi nelle bistabilita' elettro-ottiche dei laser a transistor sono considerevolmente differenti. In questo caso, percorsi di commutazione diversi tra stati di energia ottica ed elettrica determinano diverse soglie di tensione del collettore di ingresso, con conseguente notevole differenza di metodo e di risultati.

"A causa delle differenze di percorso di commutazione tra densità di fotoni di cavità coerenti e incoerenti che reagiscono con la modulazione della tensione del collettore tramite tunneling assistito da fotoni intra-cavità di Feng-Holonyak con conseguente differenza di tensione del collettore nelle operazioni di attivazione e disattivazione, la bistabilità del laser a transistor è realizzabile, controllabile e utilizzabile, " ha detto Feng.

È convinzione dei ricercatori che le operazioni di isteresi e bistabilità elettro-ottica nella forma compatta del laser a transistor possano essere utilizzate per applicazioni di gate logico ottico ad alta velocità e flip-flop.

"Spero che il nuovo dominio per la ricerca venga esteso dall'elettronica - dai corpi nell'elettronica che trasportano allo stato solido - al dominio elettronico-ottico in un circuito integrato, che sarà il grande passo avanti per la futura generazione di trasferimento dati ad alta velocità, " ha detto Feng.