Quando un individuo utilizza Facebook o effettua ricerche su Google, l'elaborazione delle informazioni avviene in un grande data center. Le interconnessioni ottiche a breve distanza possono migliorare le prestazioni di questi data center. I sistemi attuali utilizzano elettroni, che potrebbe causare surriscaldamento e sprechi di energia. Però, l'utilizzo della luce per trasferire le informazioni tra i chip del computer e le schede può migliorare l'efficienza.

Professore assistente di ingegneria elettrica e fisica dell'Università di Washington Arka Majumdar, Il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e fisica Xiaodong Xu e il loro team hanno scoperto un primo passo importante verso la costruzione di nanolaser a pompaggio elettrico (o sorgenti luminose). Questi laser sono fondamentali nello sviluppo di interconnessioni e sensori ottici a breve distanza basati sulla fotonica integrata.

I risultati sono stati pubblicati in una recente edizione di Nano lettere .

Il team ha dimostrato questo primo passo attraverso l'elettroluminescenza potenziata dalla cavità da materiali monostrato atomicamente sottili. La sottigliezza di questo materiale consente un coordinamento efficiente tra i due componenti chiave del laser. Sia l'elettroluminescenza che il materiale potenziato dalla cavità consentiranno data center efficienti dal punto di vista energetico e supporteranno il calcolo parallelo ad alte prestazioni.

I semiconduttori atomicamente sottili scoperti di recente hanno suscitato un notevole interesse a causa della visualizzazione dell'emissione di luce nel limite 2D. Però, a causa dell'estrema sottigliezza di questo materiale, la sua intensità di emissione di solito non è abbastanza forte, ed è importante integrarli con dispositivi fotonici (nano-laser, in questo caso) per ottenere più luce.

"I ricercatori hanno dimostrato l'elettroluminescenza in questo materiale [monostrato atomicamente sottile], " Ha detto Majumdar. "L'anno scorso, abbiamo anche riportato il funzionamento di un laser pompato otticamente a soglia ultra bassa, utilizzando questo materiale integrato con nano-cavità. Ma per le applicazioni pratiche, sono necessari dispositivi ad azionamento elettrico. Usando questo, si possono alimentare i dispositivi utilizzando la corrente elettrica. Per esempio, si alimenta il puntatore laser utilizzando una batteria elettrica. "

Majumdar e Xu hanno recentemente riportato l'elettroluminescenza potenziata dalla cavità in materiale atomicamente sottile. Un'eterostruttura di diversi materiali monostrato viene utilizzata per migliorare l'emissione. Senza la cavità, l'emissione è a banda larga (unidirezionale) e debole. Una nano-cavità migliora l'emissione e consente anche il funzionamento monomodale (diretto). Ciò consente la modulazione diretta dell'emissione, un requisito cruciale per la comunicazione dei dati.

Queste strutture sono di attuale interesse scientifico e sono considerate la nuova "corsa all'oro" della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali. Il loro risultato attuale e la precedente dimostrazione di laser pompati otticamente mostrano la promessa di nano-laser pompati elettricamente, che costituisce la prossima pietra miliare per questa ricerca. Questo prossimo risultato migliorerà l'efficienza del data center per prestazioni ottimali.

"Il nostro team sta attualmente esplorando l'integrazione dei materiali monostrato con una piattaforma di nitruro di silicio, "Majumdar ha detto. "Attraverso questo lavoro, speriamo di raggiungere l'ambita compatibilità CMOS [complementare metallo-ossido-semiconduttore], che è lo stesso processo con cui vengono fabbricati i processori dei computer oggi".

La ricerca è supportata da sovvenzioni della National Science Foundation e dell'Air Force Office of Scientific Research.