Se i computer trasmettessero dati utilizzando fotoni invece di elettroni, funzionerebbero meglio e userebbero meno energia. I ricercatori europei stanno ora studiando una nuova lega a emissione di luce di silicio e germanio per ottenere chip fotonici, che può rivoluzionare l'informatica

Negli ultimi 50 anni, fotoni, le particelle che compongono la luce, hanno sostituito gli elettroni per il trasferimento dei dati nelle reti di comunicazione. L'elevata larghezza di banda dei segnali ottici ha guidato l'enorme crescita dei sistemi telefonici, trasmissioni televisive e internet.

Però, i fotoni non hanno ancora sostituito gli elettroni nei computer. L'utilizzo della luce per la trasmissione dei dati nei chip del processore e nelle loro interconnessioni consentirebbe un aumento sostanziale della velocità dei computer (la velocità della comunicazione on-chip e chip-to-chip potrebbe essere aumentata di un fattore 1000) e, allo stesso tempo, ridurre la potenza necessaria per il loro funzionamento.

I chip microprocessori avanzati possono contenere decine di miliardi di transistor, e le loro interconnessioni elettriche in rame producono grandi quantità di calore quando sono in funzione. A differenza dei fotoni, gli elettroni hanno una massa e una carica elettrica. Quando scorre attraverso metalli o materiale semiconduttore, sono dispersi dagli atomi di silicio e metallo, facendoli vibrare e produrre calore. Perciò, la maggior parte dell'energia fornita a un microprocessore viene sprecata.

La sfida di emettere luce dal silicio

Oggi, l'industria elettronica è pronta a utilizzare il silicio nei chip dei computer a causa delle sue proprietà e disponibilità elettroniche vantaggiose. È un buon semiconduttore, un elemento abbondante, e, come ossido di silicio, un costituente del vetro e della sabbia.

Però, il silicio non è molto bravo a trattare con la luce a causa della sua struttura cristallina. Per esempio, non può generare fotoni o controllare il loro flusso per l'elaborazione dei dati. I ricercatori hanno studiato materiali che emettono luce come l'arseniuro di gallio e la fosfina di indio, ma la loro applicazione nei computer rimane limitata perché non si integrano bene con l'attuale tecnologia al silicio.

Plasmare i chip fotonici:verso una rivoluzione nel settore dell'elettronica

Recentemente, I ricercatori europei hanno riportato sulla rivista Natura una lega innovativa di silicio e germanio otticamente attiva. è un primo passo, dice Jos Haverkort, un fisico della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi:"Abbiamo dimostrato che questo materiale è molto adatto per l'emissione di luce, e che è compatibile con il silicio."

Il prossimo passo è sviluppare un laser compatibile con il silicio che sarà integrato nei circuiti elettronici come fonte di luce dei chip fotonici. Questo è lo scopo ultimo del progetto SiLAS, sostenuto dal programma UE FET. Il gruppo, guidato da Erik Bakkers dell'Università di Eindhoven, comprende anche ricercatori delle università di Jena e Monaco in Germania, Linz in Austria, Oxford nel Regno Unito e da IBM in Svizzera.

Per creare il laser, gli scienziati hanno combinato silicio e germanio in una struttura esagonale in grado di emettere luce, superare gli inconvenienti del silicio, in cui gli atomi sono disposti in uno schema di cubi. Era un progetto difficile. Un tentativo iniziale di convincere il silicio ad adottare una struttura esagonale depositando atomi di silicio su uno strato di germanio esagonale fallì.

Il silicio si rifiuta ostinatamente di cambiare la sua struttura cubica quando viene coltivato su germanio esagonale planare, spiega Jonathan Finley dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, che ha preso parte alla ricerca misurando le proprietà ottiche dei campioni di silicio creati. "Devi convincere la natura a permettere la crescita di questa insolita forma di silicio-germanio. Gli piace crescere cubica, questo è quello che fa, " lui dice.

Però, negli anni, il gruppo di ricerca di Eindhoven ha sviluppato competenze nella coltivazione di nanotubi, e ha ragionato che ciò che non funziona su una superficie piana di germanio potrebbe funzionare su una superficie curva di un nanotubo. E questa volta le cose hanno funzionato. "Quello che abbiamo fatto è stato usare un nanofilo di arseniuro di gallio, che ha una struttura esagonale. Quindi avevamo uno stelo esagonale, e abbiamo creato un guscio di silicio attorno al nucleo, che aveva anche una struttura esagonale, "dice Haverkort.

Variando la quantità di silicio e germanio depositati sui nanotubi, i ricercatori hanno scoperto che la lega esagonale era in grado di emettere luce quando la concentrazione di germanio era superiore al 65 percento.

Il passo successivo è una dimostrazione di laser, in altre parole, determinare come la lega silicio-germanio può amplificare ed emettere luce come un laser, e misurarlo.

Ci sono diverse questioni aperte da risolvere prima che il germanio di silicio possa integrarsi completamente con l'elettronica basata sul silicio, osserva Haverkort:"In primo luogo, questi dispositivi devono essere integrati con le tecnologie esistenti e questo è ancora un ostacolo." Si aspetta che i futuri computer quantistici utilizzeranno applicazioni come LED a basso costo a base di silicio, laser a fibra ottica, sensori di luce, e punti quantici emettitori di luce.

Generalmente, il passaggio dalla comunicazione elettrica a quella ottica darà impulso all'innovazione in molti settori, dai radar laser per la guida autonoma ai sensori per la diagnosi medica o il rilevamento dell'inquinamento atmosferico in tempo reale.