(Phys.org)—I computer possono diventare più veloci ogni anno, ma quei progressi nella velocità del computer potrebbero essere sminuiti se i loro 1 e 0 fossero rappresentati da esplosioni di luce, invece dell'elettricità.

I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno compiuto un importante passo avanti in questa frontiera della fotonica, modellando il primo interruttore fotonico completamente ottico con nanofili di solfuro di cadmio. Inoltre, hanno combinato questi interruttori fotonici in una porta logica, un componente fondamentale dei chip dei computer che elaborano le informazioni.

La ricerca è stata condotta dal professore associato Ritesh Agarwal e dallo studente laureato Brian Piccione del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science. I borsisti post-dottorato Chang-Hee Cho e Lambert van Vugt, anche del Dipartimento di Scienza dei Materiali, contribuito allo studio.

È stato pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura .

L'innovazione del team di ricerca si è basata sulla loro precedente ricerca, che ha dimostrato che i loro nanofili di solfuro di cadmio mostravano un accoppiamento estremamente forte con la materia leggera, rendendoli particolarmente efficienti nel manipolare la luce. Questa qualità è cruciale per lo sviluppo di circuiti fotonici su scala nanometrica, poiché i meccanismi esistenti per il controllo del flusso di luce sono più ingombranti e richiedono più energia rispetto ai loro analoghi elettronici.

"La più grande sfida per le strutture fotoniche su nanoscala è far entrare la luce, manipolandolo una volta che è lì e poi tirandolo fuori, " ha detto Agarwal. "La nostra principale innovazione è stata il modo in cui abbiamo risolto il primo problema, in quanto ci ha permesso di utilizzare i nanofili stessi per una sorgente di luce su chip".

Il team di ricerca ha iniziato tagliando con precisione uno spazio vuoto in un nanofilo. Hanno quindi pompato abbastanza energia nel primo segmento di nanocavo da iniziare a emettere luce laser dalla sua estremità e attraverso lo spazio vuoto. Poiché i ricercatori hanno iniziato con un singolo nanofilo, le due estremità del segmento erano perfettamente abbinate, consentendo al secondo segmento di assorbire e trasmettere efficacemente la luce per tutta la sua lunghezza.

"Una volta che abbiamo la luce nel secondo segmento, facciamo brillare un'altra luce attraverso la struttura e spegniamo ciò che viene trasportato attraverso quel filo, " ha detto Agarwal. "Questo è ciò che lo rende un interruttore."

I ricercatori sono stati in grado di misurare l'intensità della luce che esce dall'estremità del secondo nanofilo e di dimostrare che l'interruttore potrebbe rappresentare efficacemente gli stati binari utilizzati nei dispositivi logici.

"Mettere insieme gli interruttori ti permette di creare porte logiche, e assemblare porte logiche ti permette di fare calcoli, " ha detto Piccione. "Abbiamo usato questi interruttori ottici per costruire una porta NAND, che è un elemento fondamentale della moderna elaborazione informatica."

Un cancello NAND, che sta per "non e, " restituisce un output "0" quando tutti i suoi input sono "1". È stato costruito dai ricercatori combinando due interruttori a nanofili in una configurazione a forma di Y.  Le porte NAND sono importanti per il calcolo perché sono "funzionalmente complete, " che significa che, quando messo nella giusta sequenza, possono eseguire qualsiasi tipo di operazione logica e quindi costituire la base per processori per computer di uso generale.

"Vediamo un futuro in cui l'"elettronica di consumo" diventa "fotonica di consumo", " ha detto Agarwal. "E questo studio dimostra che è possibile".