L'enorme aumento delle prestazioni di elaborazione negli ultimi decenni è stato ottenuto comprimendo sempre più transistor in uno spazio più ristretto sui microchip.

Però, questo ridimensionamento ha significato anche stringere sempre più strettamente i cablaggi all'interno dei microprocessori, portando a effetti come la perdita di segnale tra i componenti, che può rallentare la comunicazione tra le diverse parti del chip. Questo ritardo, noto come "collo di bottiglia di interconnessione, " sta diventando un problema crescente nei sistemi informatici ad alta velocità.

Un modo per affrontare il collo di bottiglia dell'interconnessione consiste nell'utilizzare la luce anziché i cavi per comunicare tra le diverse parti di un microchip. Non è un compito facile, però, come silicio, il materiale utilizzato per costruire i trucioli, non emette luce facilmente, secondo Pablo Jarillo-Herrero, professore associato di fisica al MIT.

Ora, in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura , i ricercatori descrivono un emettitore e rivelatore di luce che può essere integrato nei chip CMOS di silicio. Il primo autore del documento è il postdoc del MIT Ya-Qing Bie, a cui si uniscono Jarillo-Herrero e un team interdisciplinare tra cui Dirk Englund, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT.

Il dispositivo è costituito da un materiale semiconduttore chiamato ditelluride di molibdeno. Questo semiconduttore ultrasottile appartiene a un gruppo emergente di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali.

A differenza dei semiconduttori convenzionali, il materiale può essere impilato sopra wafer di silicio, Jarillo-Herrero dice.

"I ricercatori hanno cercato di trovare materiali compatibili con il silicio, per portare l'optoelettronica e la comunicazione ottica su chip, ma finora questo si è rivelato molto difficile, " dice Jarillo-Herrero. "Ad esempio, l'arseniuro di gallio è molto buono per l'ottica, ma non può essere coltivato molto facilmente sul silicio perché i due semiconduttori sono incompatibili."

In contrasto, il ditelluride di molibdeno 2-D può essere fissato meccanicamente a qualsiasi materiale, Jarillo-Herrero dice.

Un'altra difficoltà nell'integrare altri semiconduttori con il silicio è che i materiali tipicamente emettono luce nell'intervallo visibile, ma la luce a queste lunghezze d'onda viene semplicemente assorbita dal silicio.

Il ditelluride di molibdeno emette luce nel raggio dell'infrarosso, che non viene assorbito dal silicio, il che significa che può essere utilizzato per la comunicazione su chip.

Per utilizzare il materiale come emettitore di luce, i ricercatori hanno dovuto prima convertirlo in un diodo a giunzione P-N, un dispositivo in cui un lato, il lato P, è carica positivamente, mentre l'altro, lato N, è caricato negativamente.

Nei semiconduttori convenzionali, questo è tipicamente fatto introducendo impurità chimiche nel materiale. Con la nuova classe di materiali 2-D, però, può essere fatto semplicemente applicando una tensione attraverso elettrodi di gate metallici posti uno accanto all'altro sopra il materiale.

"Si tratta di una svolta significativa, perché significa che non abbiamo bisogno di introdurre impurità chimiche nel materiale [per creare il diodo]. Possiamo farlo elettricamente, " dice Jarillo-Herrero.

Una volta prodotto il diodo, i ricercatori fanno passare una corrente attraverso il dispositivo, facendolo emettere luce.

"Quindi, usando diodi fatti di ditelluride di molibdeno, siamo in grado di fabbricare diodi emettitori di luce (LED) compatibili con chip di silicio, " dice Jarillo-Herrero.

Il dispositivo può anche essere commutato per funzionare come fotorilevatore, invertendo la polarità della tensione applicata al dispositivo. Questo fa sì che smetta di condurre elettricità fino a quando non viene illuminata da una luce, quando la corrente si riavvia.

In questo modo, i dispositivi sono in grado sia di trasmettere che di ricevere segnali ottici.

Il dispositivo è un proof of concept, e c'è ancora molto lavoro da fare prima che la tecnologia possa essere sviluppata in un prodotto commerciale, Jarillo-Herrero dice.

I ricercatori stanno ora studiando altri materiali che potrebbero essere utilizzati per la comunicazione ottica su chip.

La maggior parte dei sistemi di telecomunicazione, Per esempio, funzionano utilizzando luce con una lunghezza d'onda di 1,3 o 1,5 micrometri, Jarillo-Herrero dice.

Però, il ditelluride di molibdeno emette luce a 1,1 micrometri. Questo lo rende adatto per l'uso nei chip di silicio che si trovano nei computer, ma inadatto ai sistemi di telecomunicazione.

"Sarebbe altamente auspicabile se potessimo sviluppare un materiale simile, che potrebbe emettere e rilevare luce a 1,3 o 1,5 micrometri di lunghezza d'onda, dove operano le telecomunicazioni tramite fibra ottica, " lui dice.

A tal fine, i ricercatori stanno esplorando un altro materiale ultrasottile chiamato fosforo nero, che può essere sintonizzato per emettere luce a diverse lunghezze d'onda alterando il numero di strati utilizzati. Sperano di sviluppare dispositivi con il numero necessario di strati per consentire loro di emettere luce alle due lunghezze d'onda pur rimanendo compatibili con il silicio.

"La speranza è che se saremo in grado di comunicare su chip tramite segnali ottici anziché segnali elettronici, saremo in grado di farlo più rapidamente, e consumando meno energia, " dice Jarillo-Herrero.