Migliaia di chilometri di cavi in ​​fibra ottica attraversano il mondo e confezionano qualsiasi cosa, dai dati finanziari ai video di gatti nella luce. Ma quando il segnale arriva al tuo data center locale, si imbatte in un collo di bottiglia di silicio. Invece di luce, i computer funzionano su elettroni che si muovono attraverso chip a base di silicio, che, nonostante gli enormi progressi, sono ancora meno efficienti della fotonica.

Per superare questo collo di bottiglia, i ricercatori stanno cercando di integrare la fotonica in dispositivi al silicio. Hanno sviluppato laser, un componente cruciale dei circuiti fotonici, che funzionano perfettamente sul silicio. In un articolo apparso questa settimana in Fotonica APL , ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara scrive che il futuro dei laser a base di silicio potrebbe essere in minuscolo, strutture atomiche chiamate punti quantici.

Tali laser potrebbero risparmiare molta energia. La sostituzione dei componenti elettronici che collegano i dispositivi con componenti fotonici potrebbe ridurre il consumo di energia dal 20 al 75%, Giustino Normanno, uno studente laureato alla UC Santa Barbara, disse. "Si tratta di un taglio sostanziale al consumo energetico globale semplicemente avendo un modo per integrare laser e circuiti fotonici con il silicio".

Silicio, però, non ha le proprietà giuste per i laser. I ricercatori si sono invece rivolti a una classe di materiali dei gruppi III e V della tavola periodica perché questi materiali possono essere integrati con il silicio.

Inizialmente, i ricercatori hanno faticato a trovare un metodo di integrazione funzionale, ma alla fine ha finito per usare i punti quantici perché possono essere coltivati ​​direttamente sul silicio, ha detto Norman. I punti quantici sono particelle semiconduttrici larghe solo pochi nanometri, abbastanza piccole da comportarsi come singoli atomi. Quando guidato con corrente elettrica, gli elettroni e le lacune caricate positivamente vengono confinati nei punti e si ricombinano per emettere luce, una proprietà che può essere sfruttata per realizzare i laser.

I ricercatori hanno realizzato i loro laser a punti quantici III-V utilizzando una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare. Depositano il materiale III-V sul substrato di silicio, e i suoi atomi si autoassemblano in una struttura cristallina. Ma la struttura cristallina del silicio differisce dai materiali III-V, portando a difetti che consentono la fuga di elettroni e lacune, prestazioni degradanti. Fortunatamente, poiché i punti quantici sono impacchettati insieme ad alta densità, più di 50 miliardi di punti per centimetro quadrato, catturano elettroni e lacune prima che le particelle vadano perse.

Questi laser hanno molti altri vantaggi, ha detto Norman. Per esempio, i punti quantici sono più stabili nei circuiti fotonici perché hanno stati energetici localizzati simili ad atomi. Possono anche funzionare con meno energia perché non hanno bisogno di tanta corrente elettrica. Inoltre, possono funzionare a temperature più elevate ed essere ridimensionati a dimensioni più piccole.

Proprio nell'ultimo anno, i ricercatori hanno compiuto notevoli progressi grazie ai progressi nella crescita materiale, ha detto Norman. Ora, i laser funzionano a 35 gradi Celsius senza molto degrado e i ricercatori riferiscono che la durata potrebbe arrivare fino a 10 milioni di ore.

Ora stanno testando laser che possono funzionare a 60-80 gradi Celsius, l'intervallo di temperatura più tipico di un data center o di un supercomputer. Stanno anche lavorando alla progettazione di guide d'onda epitassiali e altri componenti fotonici, ha detto Norman. "Ad un tratto, " Egli ha detto, "abbiamo fatto così tanti progressi che le cose sembrano un po' più a breve termine".