Luce emessa dalla parte inferiore della cavità. I contorni tratteggiati rappresentano l'orientamento del nanofilo di seleniuro di cadmio.
La corsa per rendere i componenti dei computer più piccoli e veloci e utilizzare meno energia sta spingendo i limiti delle proprietà degli elettroni in un materiale. I sistemi fotonici potrebbero eventualmente sostituire quelli elettronici, ma i fondamenti del calcolo, mescolando due ingressi in un'unica uscita, attualmente richiedono troppo spazio e potenza quando si fa con la luce.
I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno progettato un sistema di nanocavi che potrebbe aprire la strada a questa capacità, combinando due onde luminose per produrne una terza con una frequenza diversa e utilizzando una cavità ottica per amplificare l'intensità dell'uscita a un livello utilizzabile.
Lo studio è stato condotto da Ritesh Agarwal, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn's School of Engineering and Applied Science, e Ming-Liang Ren, un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. Altri membri del laboratorio Agarwal, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti e Liaoxin Sun, contribuito allo studio.
È stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Gli attuali sistemi informatici rappresentano bit di informazione - gli 1 e gli 0 del codice binario - con l'elettricità. Elementi del circuito, come i transistor, operare su questi segnali elettrici, produrre output che dipendono dai loro input.
"Mescolare due segnali di input per ottenere un nuovo output è la base del calcolo, " ha detto Agarwal. "È facile farlo con i segnali elettrici, ma non è facile farlo con la luce, poiché le onde luminose normalmente non interagiscono tra loro."
Uno schema della cavità ottica.
La difficoltà insita nel "mescolare" la luce può sembrare controintuitiva, data la gamma di colori sullo schermo della TV o del computer che sono prodotti esclusivamente da combinazioni di rosso, pixel verdi e blu. I gialli, arance e viola che fanno quei display, però, sono uno scherzo della percezione, non di fisica. La luce rossa e blu vengono semplicemente sperimentate contemporaneamente, piuttosto che combinati in un'unica lunghezza d'onda viola.
I cosiddetti materiali "non lineari" sono in grado di questo tipo di miscelazione, ma anche i migliori candidati in questa categoria non sono ancora praticabili per applicazioni computazionali a causa dell'elevata potenza e dei vincoli di grande volume.
"Un materiale non lineare, tale solfuro di cadmio, può cambiare la frequenza, e quindi il colore, di luce che lo attraversa, "Ren ha detto, "ma hai bisogno di un laser potente, e, comunque, il materiale deve essere di molti micrometri e anche fino a millimetri di spessore. Non funziona per un chip di computer."
Per ridurre il volume del materiale e la potenza della luce necessari per eseguire un utile mix di segnali, i ricercatori avevano bisogno di un modo per amplificare l'intensità di un'onda luminosa mentre passava attraverso un nanofilo di solfuro di cadmio.
I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo attraverso un'intelligente ingegneria ottica:avvolgendo parzialmente il nanofilo in un guscio d'argento che si comporta come una camera dell'eco. Il gruppo di Agarwal aveva già utilizzato un progetto simile nel tentativo di creare dispositivi fotonici che potessero accendersi e spegnersi molto rapidamente. Questa qualità si basava su un fenomeno noto come risonanza plasmonica di superficie, ma, cambiando la polarizzazione della luce mentre entrava nel nanofilo, i ricercatori sono stati in grado di confinarlo meglio all'alterazione della frequenza, parte non lineare del dispositivo:il nucleo del nanofilo.
"Progettando la struttura in modo che la luce sia per lo più contenuta all'interno del solfuro di cadmio piuttosto che nell'interfaccia tra esso e il guscio d'argento, possiamo massimizzare l'intensità mentre si genera la seconda armonica, " ha detto Ren.
Come una seconda armonica suonata su una corda di chitarra, questo significava raddoppiare la frequenza dell'onda luminosa. Le informazioni in un sistema informatico fotonico potrebbero essere codificate nella frequenza di un'onda, o il numero di oscillazioni che fa in un secondo. Essere in grado di manipolare quella qualità in un'onda con un'altra consente i fondamenti della logica del computer.
"Vogliamo dimostrare che possiamo sommare due frequenze di luce, "Agarwal ha detto, "così abbiamo semplificato l'esperimento. Prendendo una frequenza e sommandola a se stessa, alla fine ottieni il doppio della frequenza. In definitiva, vogliamo essere in grado di sintonizzare la luce su qualsiasi frequenza sia necessaria, che può essere fatto alterando le dimensioni del nanofilo e del guscio".
Più importante, però, era che questa miscelazione di frequenza era possibile su scala nanometrica con un'efficienza molto elevata. La cavità ottica dei ricercatori è stata in grado di aumentare l'intensità dell'onda in uscita di oltre mille volte.
"L'efficienza di variazione della frequenza del solfuro di cadmio è intrinseca al materiale, ma dipende dal volume del materiale attraversato dall'onda, " ha detto Agarwal. " Aggiungendo il guscio d'argento, possiamo ridurre significativamente il volume necessario per ottenere un segnale utilizzabile e spingere le dimensioni del dispositivo su scala nanometrica".
