Un team di ricerca internazionale guidato da Skoltech e IBM ha creato un interruttore ottico estremamente efficiente dal punto di vista energetico che potrebbe sostituire i transistor elettronici in una nuova generazione di computer che manipolano fotoni anziché elettroni. Oltre al risparmio energetico diretto, l'interruttore non richiede raffreddamento ed è davvero veloce:a 1 trilione di operazioni al secondo, è compreso tra 100 e 1, 000 volte più veloce dei transistor commerciali di prim'ordine di oggi. Lo studio esce mercoledì in Natura .

"Ciò che rende il nuovo dispositivo così efficiente dal punto di vista energetico è che bastano pochi fotoni per passare, "il primo autore dello studio, Ha commentato il dottor Anton Zasedatelev. "Infatti, nei nostri laboratori Skoltech abbiamo ottenuto la commutazione con un solo fotone a temperatura ambiente. Detto ciò, c'è ancora molta strada da fare prima che tale dimostrazione di prova di principio venga utilizzata in un coprocessore completamente ottico, " ha aggiunto il professor Pavlos Lagoudakis, che dirige i laboratori di fotonica ibrida presso Skoltech.

Poiché un fotone è la più piccola particella di luce che esiste in natura, non c'è davvero molto spazio per miglioramenti oltre a quello per quanto riguarda il consumo energetico. La maggior parte dei transistor elettrici moderni richiede dieci volte più energia per commutare, e quelli che utilizzano singoli elettroni per ottenere efficienze comparabili sono molto più lenti.

Oltre ai problemi di prestazioni, i transistor elettronici a risparmio energetico della concorrenza tendono anche a richiedere apparecchiature di raffreddamento ingombranti, che a sua volta consuma energia e contribuisce ai costi operativi. Il nuovo interruttore funziona comodamente a temperatura ambiente e quindi aggira tutti questi problemi.

Oltre alla sua funzione primaria simile a un transistor, lo switch potrebbe agire come un componente che collega i dispositivi scambiando dati tra di loro sotto forma di segnali ottici. Può anche fungere da amplificatore, aumentare l'intensità di un raggio laser in ingresso di un fattore fino a 23, 000.

Come funziona

Il dispositivo si basa su due laser per impostare il suo stato su "0" o "1" e per passare da uno all'altro. Un raggio laser di controllo molto debole viene utilizzato per girarne un altro, raggio laser più luminoso acceso o spento. Bastano pochi fotoni nel raggio di controllo, da qui l'elevata efficienza del dispositivo.

La commutazione avviene all'interno di una microcavità, un polimero semiconduttore organico sottile di 35 nanometri inserito tra strutture inorganiche altamente riflettenti. La microcavità è costruita in modo tale da trattenere la luce in ingresso il più a lungo possibile al suo interno per favorirne l'accoppiamento con il materiale della cavità.

Questo accoppiamento luce-materia costituisce la base del nuovo dispositivo. Quando i fotoni si accoppiano fortemente alle coppie elettrone-lacuna, ovvero gli eccitoni, nel materiale della cavità, questo dà origine a entità di breve durata chiamate eccitoni-polaritoni, che sono una sorta di quasiparticelle al centro del funzionamento dell'interruttore.

Quando il laser della pompa, quello più luminoso dei due, brilla sull'interruttore, questo crea migliaia di quasiparticelle identiche nella stessa posizione, formando il cosiddetto condensato di Bose-Einstein, che codifica gli stati logici "0" e "1" del dispositivo.

Per passare tra i due livelli del dispositivo, il team ha utilizzato un impulso laser di controllo che ha seminato la condensa poco prima dell'arrivo dell'impulso laser della pompa. Di conseguenza, stimola la conversione dell'energia dal laser della pompa, aumentando la quantità di quasiparticelle al condensato. L'elevata quantità di particelle all'interno corrisponde allo stato "1" del dispositivo.

I ricercatori hanno utilizzato diverse modifiche per garantire un basso consumo energetico:in primo luogo, la commutazione efficiente è stata aiutata dalle vibrazioni delle molecole del polimero semiconduttore. Il trucco consisteva nel far corrispondere il divario energetico tra gli stati pompati e lo stato condensato all'energia di una particolare vibrazione molecolare nel polimero. Secondo, il team è riuscito a trovare la lunghezza d'onda ottimale su cui sintonizzare il laser e ha implementato un nuovo schema di misurazione che consente il rilevamento della condensa a colpo singolo. Terzo, il laser di controllo che semina la condensa e il suo schema di rilevamento sono stati abbinati in modo da sopprimere il rumore dall'emissione di "sottofondo" del dispositivo. Queste misure hanno massimizzato il livello segnale-rumore del dispositivo e hanno impedito che un eccesso di energia venisse assorbito dalla microcavità, che servirebbe solo a riscaldarlo attraverso vibrazioni molecolari.

"C'è ancora del lavoro da fare per ridurre il consumo energetico complessivo del nostro dispositivo, che è attualmente dominato dal laser a pompa che mantiene l'interruttore acceso. Un percorso verso questo obiettivo potrebbe essere costituito da materiali supercristallini di perovskite come quelli che stiamo esplorando con i collaboratori. Si sono dimostrati candidati eccellenti dato il loro forte accoppiamento luce-materia che a sua volta porta a una potente risposta quantistica collettiva sotto forma di superfluorescenza, " commenta la squadra.

Nello schema più ampio delle cose, i ricercatori vedono il loro nuovo interruttore come uno solo nel crescente toolkit di componenti completamente ottici che hanno assemblato negli ultimi anni. Tra l'altro, include una guida d'onda in silicio a bassa perdita per la spola dei segnali ottici avanti e indietro tra i transistor. Lo sviluppo di questi componenti ci avvicina sempre più ai computer ottici che manipolerebbero i fotoni invece degli elettroni, con conseguente prestazione notevolmente superiore e consumo di energia più basso.