Illustrazione artistica di un interruttore ottico, che divide gli impulsi di luce in base alle loro energie. Credito:Y. Wang, N. Thu e S. Zhou
Gli ingegneri di Caltech hanno sviluppato un interruttore, uno dei componenti più fondamentali dell'informatica, utilizzando componenti ottici, anziché elettronici. Lo sviluppo potrebbe aiutare gli sforzi per ottenere l'elaborazione e il calcolo del segnale completamente ottico ultraveloce.
I dispositivi ottici hanno la capacità di trasmettere segnali molto più velocemente dei dispositivi elettrici utilizzando impulsi di luce anziché segnali elettrici. Ecco perché i dispositivi moderni spesso utilizzano l'ottica per inviare dati; ad esempio, pensa ai cavi in fibra ottica che forniscono velocità Internet molto più elevate rispetto ai cavi Ethernet convenzionali.
Il campo dell'ottica ha il potenziale per rivoluzionare l'informatica facendo di più, a velocità più elevate e con meno energia. Tuttavia, uno dei principali limiti dei sistemi basati sull'ottica al momento è che, a un certo punto, devono ancora disporre di transistor basati sull'elettronica per elaborare i dati in modo efficiente.
Ora, usando il potere della non linearità ottica (ne parleremo più avanti), un team guidato da Alireza Marandi, assistente professore di ingegneria elettrica e fisica applicata al Caltech, ha creato un interruttore completamente ottico. Tale interruttore potrebbe eventualmente consentire l'elaborazione dei dati utilizzando i fotoni. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Photonics il 28 luglio.
Gli interruttori sono tra i componenti più semplici di un computer. Un segnale entra nell'interruttore e, a seconda di determinate condizioni, l'interruttore consente al segnale di avanzare o lo ferma. Quella proprietà on/off è alla base delle porte logiche e del calcolo binario, ed è ciò per cui i transistor digitali sono stati progettati. Tuttavia, fino a questo nuovo lavoro, ottenere la stessa funzione con la luce si è rivelato difficile. A differenza degli elettroni nei transistor, che possono influenzare fortemente il flusso reciproco e quindi causare "commutazioni", i fotoni di solito non interagiscono facilmente tra loro.
Due cose hanno reso possibile la svolta:il materiale utilizzato dal team di Marandi e il modo in cui lo hanno utilizzato. In primo luogo, hanno scelto un materiale cristallino noto come niobato di litio, una combinazione di niobio, litio e ossigeno che non si trova in natura ma che, negli ultimi 50 anni, si è dimostrato essenziale nel campo dell'ottica. Il materiale è intrinsecamente non lineare:a causa del modo speciale in cui gli atomi sono disposti nel cristallo, i segnali ottici che produce come uscite non sono proporzionali ai segnali di ingresso.
Mentre i cristalli di niobato di litio sono stati utilizzati nell'ottica per decenni, più recentemente, i progressi nelle tecniche di nanofabbricazione hanno consentito a Marandi e al suo team di creare dispositivi fotonici integrati a base di niobato di litio che consentono il confinamento della luce in uno spazio minuscolo. Più piccolo è lo spazio, maggiore è l'intensità della luce a parità di potenza. Di conseguenza, gli impulsi di luce che trasportano informazioni attraverso un tale sistema ottico potrebbero fornire una risposta non lineare più forte di quanto sarebbe altrimenti possibile.
Marandi e i suoi colleghi hanno anche limitato la luce temporalmente. In sostanza, hanno ridotto la durata degli impulsi di luce e hanno utilizzato un design specifico che mantenesse gli impulsi brevi mentre si propagano attraverso il dispositivo, il che ha comportato una maggiore potenza di picco di ogni impulso.
L'effetto combinato di queste due tattiche, il confinamento spazio-temporale della luce, è quello di aumentare sostanzialmente la forza della non linearità per una data energia dell'impulso, il che significa che i fotoni ora si influenzano a vicenda in modo molto più forte.
Il risultato netto è la creazione di uno splitter non lineare in cui gli impulsi luminosi vengono indirizzati a due diverse uscite in base alle loro energie, il che consente la commutazione in meno di 50 femtosecondi (un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo). In confronto, gli interruttori elettronici all'avanguardia impiegano decine di picosecondi (un picosecondo è un trilionesimo di secondo), una differenza di molti ordini di grandezza.
L'articolo è intitolato "Femtojoule femtosecond all-optical switching in niobato di litio nanophotonics". + Esplora ulteriormente
