I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno sviluppato un interruttore ottico che indirizza la luce da un chip all'altro in soli 20 miliardesimi di secondo, più velocemente di qualsiasi altro dispositivo simile. L'interruttore compatto è il primo a funzionare a tensioni sufficientemente basse da essere integrato su chip di silicio a basso costo e reindirizza la luce con una perdita di segnale molto bassa.

Le prestazioni da record dello switch rappresentano un nuovo importante passo avanti verso la creazione di un computer che utilizzi la luce invece dell'elettricità per elaborare le informazioni. Affidarsi a particelle di luce, i fotoni, per trasportare i dati all'interno di un computer offre numerosi vantaggi rispetto alle comunicazioni elettroniche. I fotoni viaggiano più velocemente degli elettroni e non sprecano energia riscaldando i componenti del computer. La gestione del calore disperso è uno dei principali ostacoli al miglioramento delle prestazioni del computer. I segnali luminosi sono stati utilizzati per decenni per trasmettere informazioni a grandi distanze utilizzando fibre ottiche, ma le fibre occupano troppo spazio per essere utilizzate per trasportare dati attraverso un chip di computer.

Il nuovo interruttore combina l'oro su scala nanometrica e l'ottica al silicio, componenti elettrici e meccanici, tutto densamente imballato, per incanalare la luce dentro e fuori una pista in miniatura, alterare la sua velocità, e cambia la sua direzione di marcia. (Un nanometro è un miliardesimo di metro, o circa un centomillesimo della larghezza di un capello umano.) Il team internazionale guidato dal NIST descrive il dispositivo online oggi in Scienza .

Il dispositivo ha una miriade di applicazioni, osserva il coautore dello studio Christian Haffner del NIST, ETH Zurigo e l'Università del Maryland. Nelle auto senza conducente, l'interruttore potrebbe reindirizzare rapidamente un singolo raggio di luce che deve continuamente scansionare tutte le parti della carreggiata per misurare la distanza da altre automobili e pedoni. Il dispositivo potrebbe anche rendere più semplice l'uso di circuiti basati sulla luce più potenti invece di quelli basati sull'elettricità nelle reti neurali. Si tratta di sistemi di intelligenza artificiale che simulano il modo in cui i neuroni nel cervello umano prendono decisioni su compiti complessi come il riconoscimento di schemi e la gestione del rischio.

La nuova tecnologia utilizza anche pochissima energia per reindirizzare i segnali luminosi. Questa funzione può aiutare a realizzare il sogno dell'informatica quantistica. Un computer quantistico elabora i dati memorizzati nelle sottili interrelazioni tra coppie di particelle subatomiche appositamente preparate. Però, queste relazioni sono estremamente fragili, richiedendo che un computer operi a temperature ultrabasse ea bassa potenza in modo che le coppie di particelle siano disturbate il meno possibile. Poiché il nuovo interruttore ottico richiede poca energia, a differenza dei precedenti interruttori ottici, potrebbe diventare parte integrante di un computer quantistico.

Haffner e i suoi colleghi, che includono Vladimir Aksyuk e Henri Lezec del NIST, affermano che le loro scoperte potrebbero sorprendere molti nella comunità scientifica perché i risultati contraddicono le credenze di vecchia data. Alcuni ricercatori hanno pensato che gli interruttori optoelettromeccanici non sarebbero stati pratici perché sarebbero ingombranti, funzionano troppo lentamente e richiedono tensioni troppo alte per essere tollerate dai componenti di un chip di computer.

L'interruttore sfrutta la natura ondulatoria della luce. Quando due onde luminose identiche si incontrano, possono sovrapporsi in modo tale che la cresta di un'onda allinei o rafforzi la cresta dell'altra, creando uno schema luminoso noto come interferenza costruttiva. Le due onde possono anche essere esattamente sfasate, in modo che la valle di un'onda annulli la cresta dell'altra, risultando in uno schema oscuro:un'interferenza distruttiva.

Nella configurazione della squadra, un raggio di luce è limitato a viaggiare all'interno di un'autostrada in miniatura, un canale a forma di tubo noto come guida d'onda. Questa autostrada lineare è progettata in modo da avere una rampa di uscita:parte della luce può uscire in una cavità a forma di pista, a pochi nanometri di distanza, inciso in un disco di silicio. Se la luce ha la giusta lunghezza d'onda, può girare intorno alla pista molte volte prima di lasciare la cavità di silicio.

L'interruttore ha un altro componente cruciale:una sottile membrana d'oro sospesa a poche decine di nanometri sopra il disco di silicio. Parte della luce che viaggia nella pista di silicio fuoriesce e colpisce la membrana, inducendo gruppi di elettroni sulla superficie della membrana ad oscillare. Queste oscillazioni, conosciuti come plasmoni, sono una sorta di ibrido tra un'onda luminosa e un'onda elettronica:gli elettroni oscillanti assomigliano all'onda luminosa in arrivo in quanto vibrano alla stessa frequenza, ma hanno una lunghezza d'onda molto più corta. La lunghezza d'onda più corta consente ai ricercatori di manipolare i plasmoni su distanze nanometriche, molto più breve della lunghezza dell'onda luminosa originale, prima di riconvertire le oscillazioni in luce. Questo, a sua volta, permette all'interruttore ottico di rimanere estremamente compatto.

Modificando la larghezza dello spazio tra il disco di silicio e la membrana d'oro solo di pochi nanometri, i ricercatori potrebbero ritardare o anticipare la fase dell'onda luminosa ibrida, il momento in cui l'onda raggiunge una cresta o una valle. Anche minuscole variazioni nell'ampiezza della fessura, che il team ha realizzato piegando elettrostaticamente la membrana d'oro, alterato drammaticamente la fase.

A seconda di quanto la squadra aveva anticipato o ritardato la fase dell'onda, quando si ricombinava con la luce ancora in viaggio nell'autostrada a forma di tubo, i due raggi interferivano in modo costruttivo o distruttivo (vedi animazione). Se i fasci di luce combaciano per interferire in modo costruttivo, la luce continuerà nella sua direzione originale, viaggiando lungo il tubo. Ma se i raggi di luce interferiscono in modo distruttivo, annullandosi a vicenda, quel percorso è bloccato. Anziché, la luce deve muoversi in un'altra direzione, determinato dall'orientamento di altre guide d'onda, o percorsi, posto vicino al percorso bloccato. In questo modo, la luce può essere commutata a piacimento su uno qualsiasi delle centinaia di altri chip per computer.

Gli scienziati una volta pensavano che un sistema plasmonico avrebbe notevolmente attenuato i segnali luminosi perché i fotoni sarebbero penetrati all'interno della membrana d'oro, dove gli elettroni assorbirebbero gran parte dell'energia luminosa.

Ma i ricercatori hanno ora dimostrato che questa ipotesi è sbagliata. La compattezza del dispositivo e un design che assicurava che pochi fotoni penetrassero nella membrana hanno comportato una perdita di appena il 2,5% del segnale luminoso, rispetto al 60% con gli switch precedenti. Che mette l'interruttore, pur essendo ancora un prototipo, alla portata di applicazioni commerciali.

Il team sta ora lavorando per rendere il dispositivo ancora più piccolo accorciando la distanza tra il disco di silicio e la membrana d'oro. Ciò ridurrebbe ulteriormente la perdita di segnale, rendendo la tecnologia ancora più attraente per l'industria.