I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e del King's College di Londra hanno superato l'ostacolo che aveva impedito la creazione di nanolaser azionati elettricamente per i circuiti integrati. L'approccio, riportato in un recente articolo in Nanofotonica , consente una progettazione coerente della sorgente luminosa sulla scala non solo centinaia di volte più piccola dello spessore di un capello umano, ma anche più piccola della lunghezza d'onda della luce emessa dal laser. Ciò pone le basi per il trasferimento di dati ottico ultraveloce nei microprocessori manycore che dovrebbero emergere nel prossimo futuro.

I segnali luminosi hanno rivoluzionato le tecnologie dell'informazione negli anni '80, quando le fibre ottiche hanno iniziato a sostituire i fili di rame, rendendo gli ordini di grandezza della trasmissione dei dati più veloci. Poiché la comunicazione ottica si basa sulla luce, onde elettromagnetiche con una frequenza di diverse centinaia di terahertz, consente di trasferire terabyte di dati ogni secondo attraverso una singola fibra, superando di gran lunga le interconnessioni elettriche.

La fibra ottica è alla base dell'internet moderno, ma la luce potrebbe fare molto di più per noi. Potrebbe essere messo in atto anche all'interno dei microprocessori dei supercomputer, postazioni di lavoro, smartphone, e altri dispositivi. Ciò richiede l'utilizzo di linee di comunicazione ottica per interconnettere i componenti puramente elettronici, come i core del processore. Di conseguenza, enormi quantità di informazioni potrebbero essere trasferite attraverso il chip quasi istantaneamente.

L'eliminazione della limitazione alla trasmissione dei dati consentirà di migliorare direttamente le prestazioni del microprocessore impilando più core del processore, al punto da creare un 1, Processore a 000 core che sarebbe virtualmente 100 volte più veloce della sua controparte a 10 core, che è perseguito dai giganti dell'industria dei semiconduttori IBM, HP, Intel, Oracolo, e altri. Ciò a sua volta consentirà di progettare un vero supercomputer su un singolo chip.

La sfida è connettere ottica ed elettronica su scala nanometrica. Per realizzare questo, i componenti ottici non possono essere più grandi di centinaia di nanometri, che è circa 100 volte più piccola della larghezza di un capello umano. Questa limitazione delle dimensioni si applica anche ai laser su chip, che sono necessari per convertire le informazioni da segnali elettrici a impulsi ottici che trasportano i bit dei dati.

Però, la luce è un tipo di radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda di centinaia di nanometri. E il principio di indeterminazione quantistica dice che c'è un certo volume minimo che le particelle leggere, o fotoni, può essere localizzato in. Non può essere più piccolo del cubo della lunghezza d'onda. In termini crudi, se si fa un laser troppo piccolo, i fotoni non ci entreranno. Detto ciò, ci sono modi per aggirare questa restrizione sulla dimensione dei dispositivi ottici, che è noto come limite di diffrazione. La soluzione è sostituire i fotoni con polaritoni plasmonici di superficie, o SPP.

Gli SPP sono oscillazioni collettive di elettroni che sono confinati alla superficie di un metallo e interagiscono con il campo elettromagnetico circostante. Solo pochi metalli noti come metalli plasmonici sono adatti per lavorare con gli SPP:oro, d'argento, rame, e alluminio. Proprio come i fotoni, Gli SPP sono onde elettromagnetiche, ma alla stessa frequenza sono molto meglio localizzati, cioè occupano meno spazio. L'utilizzo di SPP al posto dei fotoni consente di "comprimere" la luce e quindi superare il limite di diffrazione.

La progettazione di laser plasmonici realmente su scala nanometrica è già possibile con le attuali tecnologie. Però, questi nanolaser sono pompati otticamente, questo è, devono essere illuminati con laser esterni ingombranti e ad alta potenza. Questo potrebbe essere conveniente per esperimenti scientifici, ma non fuori dal laboratorio. Un chip elettronico destinato alla produzione di massa e alle applicazioni reali deve incorporare centinaia di nanolaser e funzionare su un normale circuito stampato. Un pratico laser deve essere pompato elettricamente, o, in altre parole, alimentato da una normale batteria o alimentatore CC. Finora tali laser sono disponibili solo come dispositivi che operano a temperature criogeniche, che non è adatto per la maggior parte delle applicazioni pratiche, poiché il mantenimento del raffreddamento con azoto liquido non è tipicamente possibile.

I fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e del King's College di Londra hanno proposto un'alternativa al modo convenzionale di funzionare del pompaggio elettrico. Solitamente lo schema di pompaggio elettrico dei nanolaser richiede un contatto ohmico in titanio, cromo, o un metallo simile. Inoltre, quel contatto deve essere una parte del risonatore, il volume in cui viene generata la radiazione laser. Il problema è che il titanio e il cromo assorbono fortemente la luce, che danneggia le prestazioni del risonatore. Tali laser soffrono di un'elevata corrente di pompa e sono suscettibili di surriscaldamento. Ecco perché emerge la necessità del raffreddamento criogenico, insieme a tutti i disagi che comporta.

Il nuovo schema proposto per il pompaggio elettrico si basa su una doppia eterostruttura con un contatto Schottky tunneling. Rende ridondante il contatto ohmico con il suo metallo fortemente assorbente. Il pompaggio ora avviene attraverso l'interfaccia tra il metallo plasmonico e il semiconduttore, lungo il quale si propagano gli SPP. "Il nostro nuovo approccio di pompaggio consente di portare il laser azionato elettricamente su scala nanometrica, pur mantenendo la sua capacità di funzionare a temperatura ambiente. Allo stesso tempo, a differenza di altri nanolaser a pompaggio elettrico, la radiazione è effettivamente diretta verso una guida d'onda fotonica o plasmonica, rendendo il nanolaser adatto ai circuiti integrati, " Ha commentato il Dr. Dmitry Fedyanin del Centro per la fotonica e i materiali 2-D del MIPT.

Il nanolaser plasmonico proposto dai ricercatori è più piccolo, in ciascuna delle sue tre dimensioni, della lunghezza d'onda della luce che emette. Inoltre, il volume occupato dagli SPP nel nanolaser è 30 volte più piccolo della lunghezza d'onda della luce al cubo. Secondo i ricercatori, il loro nanolaser plasmonico a temperatura ambiente potrebbe essere facilmente reso ancora più piccolo, rendendo le sue caratteristiche ancora più imponenti, ma ciò verrebbe a scapito dell'impossibilità di estrarre efficacemente la radiazione in una guida d'onda bus. Così, mentre un'ulteriore miniaturizzazione renderebbe il dispositivo scarsamente applicabile ai circuiti integrati su chip, sarebbe ancora conveniente per i sensori chimici e biologici e la spettroscopia ottica in campo vicino o l'optogenetica.

Nonostante le sue dimensioni nanometriche, la potenza di uscita prevista del nanolaser ammonta a oltre 100 microwatt, che è paragonabile a laser fotonici molto più grandi. Una potenza di uscita così elevata consente di utilizzare ogni nanolaser per trasmettere centinaia di gigabit al secondo, eliminando uno degli ostacoli più formidabili ai microchip ad alte prestazioni. E questo include tutti i tipi di dispositivi informatici di fascia alta:processori per supercomputer, processori grafici, e forse anche qualche gadget da inventare in futuro.