Intensità di diffusione della luce in un risonatore Mie al silicio in funzione della forza di eccitazione con dimensioni del risonatore di 100, 170, e 190nm. Le linee rosse continue mostrano le risposte lineari corrispondenti. Credito:Università di Osaka
Un team di ricercatori guidato dall'Università di Osaka e dalla National Taiwan University ha creato un sistema di risonatori di silicio su nanoscala che possono fungere da porte logiche per gli impulsi luminosi. Questo lavoro potrebbe portare alla prossima generazione di processori per computer basati su silicio che colmano il divario tra segnali elettronici e ottici.
Il silicio è tra gli elementi abbondanti sul nostro pianeta ed è la base di tutti i computer moderni. Questo è, dagli smartphone ai mainframe, tutto il calcolo avviene sulla base di segnali elettrici che scorrono attraverso transistor al silicio. Realizzare interruttori e porte logiche da segnali elettronici è facile, poiché le tensioni possono controllare il flusso di corrente in altri fili. Però, i dati su Internet vengono inviati principalmente sotto forma di impulsi luminosi su cavi in fibra ottica. La capacità di controllare completamente sia i dati che la logica con la luce sul silicio potrebbe portare a dispositivi molto più veloci.
La sfida è che le particelle di luce, chiamati fotoni, difficilmente interagiscono tra loro, quindi gli impulsi non possono accendersi o spegnersi l'un l'altro per eseguire attività logiche. L'ottica non lineare è il campo di studio che lavora per trovare materiali in cui i fasci di luce interagiscono in qualche modo. Sfortunatamente, la non linearità del silicio monocristallino è estremamente debole, quindi in passato era necessario utilizzare laser molto intensi.
Ora, gli scienziati dell'Università di Osaka e della National Taiwan University hanno aumentato la non linearità del silicio 100, 000 volte creando un risonatore nano-ottico, in modo che gli interruttori completamente ottici possano essere azionati utilizzando un laser continuo a bassa potenza. Ci sono riusciti fabbricando minuscoli risonatori da blocchi di silicio di dimensioni inferiori a 200 nm. La luce laser con una lunghezza d'onda di 592 nm può rimanere intrappolata all'interno e riscaldare rapidamente i blocchi, basato sul principio della risonanza di Mie. "Una risonanza Mie si verifica quando la dimensione di una nanoparticella corrisponde a un multiplo della lunghezza d'onda della luce, ", afferma l'autore Yusuke Nagasaki.
Dimostrazione dell'interruttore ottico mediante luce controllata (lunghezza d'onda di 592 nm). L'intensità del segnale luminoso (543 nm) viene commutata accendendo o spegnendo la luce controllata. Credito:Università di Osaka
Con un nanoblocco in uno stato caldo indotto termo-ottico, un secondo impulso laser a 543 nm può passare quasi senza scattering, che non è il caso quando il primo laser è spento. Il blocco può raffreddarsi con tempi di rilassamento misurati in nanosecondi. Questa non linearità ampia e veloce porta a potenziali applicazioni per il controllo completamente ottico dei GHz su scala nanometrica. "Si prevede che il silicio rimanga il materiale preferito per i circuiti ottici integrati e i dispositivi ottici, ", afferma l'autore senior Junichi Takahara.
Il lavoro attuale consente switch ottici che occupano molto meno spazio rispetto ai tentativi precedenti. Questo progresso apre la strada all'integrazione diretta su chip e all'imaging a super risoluzione.
