Nuovi metamateriali trasparenti in fase di sviluppo potrebbero rendere possibili chip per computer e circuiti di interconnessione che utilizzano la luce invece degli elettroni per elaborare e trasmettere dati, che rappresenta un potenziale salto di prestazioni.

Sebbene le fibre ottiche siano ora utilizzate per trasmettere grandi quantità di dati su grandi distanze, la tecnologia non può essere facilmente miniaturizzata perché la lunghezza d'onda della luce è troppo grande per rientrare nelle minuscole dimensioni dei microcircuiti.

"Il ruolo delle fibre ottiche è guidare la luce dal punto A al punto B, infatti, attraverso i continenti, " disse Zubin Jacob, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University. "Il più grande vantaggio di fare questo rispetto ai cavi in ​​rame è che ha una larghezza di banda molto elevata, così grandi quantità di dati possono passare attraverso questi cavi ottici rispetto ai fili di rame. Però, sui nostri computer e sull'elettronica di consumo utilizziamo ancora fili di rame tra le diverse parti del chip. Il motivo è che non puoi limitare la luce alle stesse dimensioni di un filo di rame su scala nanometrica".

Metamateriali trasparenti, media artificiali nanostrutturati con mattoncini trasparenti, consentono un controllo della luce senza precedenti e possono rappresentare una soluzione. I ricercatori stanno facendo progressi nello sviluppo di metamateriali che riducono la lunghezza d'onda della luce, indicando una strategia per utilizzare la luce invece degli elettroni per elaborare e trasmettere dati nei chip dei computer.

"Se si dispone di una comunicazione a larghezza di banda molto elevata sul chip e di circuiti di interconnessione tra i chip, puoi andare a velocità di clock più elevate, elaborazione dei dati così più veloce, " ha detto Jacob. Un tale progresso potrebbe consentire di ridurre l'ingombro di un cluster di computer ad alte prestazioni alle dimensioni di una macchina desktop standard.

A differenza di alcuni dei metamateriali in fase di sviluppo, che si affidano all'utilizzo di metalli nobili quali oro e argento, i nuovi metamateriali sono realizzati interamente con materiali dielettrici, o isolanti e non metalli. Questo approccio potrebbe consentire ai ricercatori di superare un grosso limite finora riscontrato nello sviluppo di tecnologie basate sui metamateriali:l'utilizzo di metalli comporta la perdita di troppa luce per essere pratico per molte applicazioni.

Un articolo di rassegna sui metamateriali completamente dielettrici è apparso online questo mese sulla rivista Nanotecnologia della natura , evidenziando il rapido sviluppo in questo nuovo campo di ricerca. L'articolo è stato scritto dal dottorando Saman Jahani e Jacob.

"Un fattore chiave è che non usiamo affatto metalli in questo metamateriale, perché se usi i metalli molta luce va in calore e si perde, " ha detto Jacob. "Vogliamo portare tutto sulla piattaforma di silicio perché questo è il materiale migliore per integrare dispositivi elettronici e fotonici sullo stesso chip".

Un dettaglio critico è la "velocità anisotropa" del materiale, il che significa che la luce viene trasmessa molto più velocemente in una direzione attraverso il materiale che in un'altra. I materiali convenzionali trasmettono la luce quasi alla stessa velocità, indipendentemente dalla direzione in cui viaggia attraverso il materiale.

"La parte difficile di questo lavoro è che richiediamo che il materiale sia altamente anisotropo, " disse. "Quindi in una direzione la luce viaggia quasi alla stessa velocità che farebbe nel vuoto, e nell'altra direzione viaggia come farebbe nel silicio, che è circa quattro volte più lento."

L'innovazione potrebbe consentire di modificare un fenomeno chiamato "riflessione interna totale, " il principio attualmente utilizzato per guidare la luce nelle fibre ottiche. I ricercatori stanno lavorando per ingegnerizzare la riflessione interna totale nelle fibre ottiche circondate dal nuovo metamateriale a base di silicio.

"Il nostro contributo è stato fondamentalmente il fatto che siamo stati in grado di adattare questo fenomeno di riflessione interna totale fino alla nanoscala, che era convenzionalmente ritenuto impossibile, " disse Giacobbe.

Poiché il materiale è trasparente è adatto per trasmettere la luce, che è un problema critico per le applicazioni pratiche dei dispositivi. L'approccio potrebbe ridurre il riscaldamento nei circuiti, il che significa che sarebbe necessaria meno energia per azionare i dispositivi. Una tale innovazione potrebbe a lungo termine portare a unità di elaborazione dati miniaturizzate.

"Un'altra affascinante applicazione per questi metamateriali trasparenti è nel miglioramento dell'accoppiamento luce-materia per singoli emettitori di luce quantistica, " Jacob ha detto. "Le dimensioni delle onde luminose all'interno di una fibra sono troppo grandi per interagire efficacemente con piccoli atomi e molecole. Il rivestimento in metamateriale trasparente può comprimere le onde luminose a valori di lunghezza d'onda inferiori, consentendo così alla luce di interagire efficacemente con gli oggetti quantistici. Questo può aprire la strada a sorgenti luminose a livello di singolo fotone".