Crédito CC0:domínio público
O futuro de mais rápido, o processamento de informações mais eficiente pode ser reduzido à luz em vez de à eletricidade. Mark Lawrence, um pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais em Stanford, deu um passo mais perto deste futuro com um esquema para fazer um diodo de fóton - um dispositivo que permite que a luz flua apenas em uma direção - que, ao contrário de outros diodos à base de luz, é pequeno o suficiente para eletrônicos de consumo.
Tudo o que ele precisava fazer era projetar estruturas menores do que microscópicas e quebrar uma simetria fundamental da física.
"Os diodos são onipresentes na eletrônica moderna, de LEDs (diodos emissores de luz) a células solares (essencialmente LEDs funcionam ao contrário) a circuitos integrados para computação e comunicações, "disse Jennifer Dionne, professor associado de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo que descreve este trabalho, publicado em 24 de julho em Nature Communications . "Alcançando o compacto, diodos fotônicos eficientes são fundamentais para permitir a computação de próxima geração, comunicação e até mesmo tecnologias de conversão de energia. "
Neste ponto, Dionne e Lawrence projetaram o novo diodo de fóton e verificaram seu projeto com simulações e cálculos de computador. Eles também criaram as nanoestruturas necessárias - os componentes personalizados menores que o microscópico - e estão instalando a fonte de luz que esperam dar vida ao seu sistema teorizado.
"Uma grande visão é ter um computador totalmente óptico, onde a eletricidade é substituída completamente pela luz e os fótons conduzem todo o processamento de informações, "Lawrence disse." O aumento da velocidade e da largura de banda da luz permitiria soluções mais rápidas para alguns dos aspectos científicos mais difíceis, problemas matemáticos e econômicos. "
Luz giratória, quebrando leis
Os principais desafios de um diodo à base de luz são duplos. Primeiro, seguindo as leis da termodinâmica, a luz deve se mover para a frente através de um objeto sem partes móveis exatamente da mesma maneira que se moveria para trás. Fazê-lo fluir em uma direção requer novos materiais que derrubem essa lei, quebrando o que é conhecido como simetria de reversão do tempo. Segundo, a luz é muito mais difícil de manipular do que a eletricidade porque não tem carga.
Outros pesquisadores já enfrentaram esses desafios passando a luz através de um polarizador - que faz as ondas de luz oscilarem em uma direção uniforme - e, em seguida, através de um material cristalino dentro de um campo magnético, que gira a polarização da luz. Finalmente, outro polarizador compatível com essa polarização elimina a luz com uma transmissão quase perfeita. Se a luz passar pelo dispositivo na direção oposta, nenhuma luz sai.
Lawrence descreveu a ação unilateral dessa configuração de três partes, conhecido como isolador Faraday, semelhante a andar em uma calçada móvel entre duas portas, onde a calçada desempenha o papel de campo magnético. Mesmo que você tente voltar pela última porta, a calçada geralmente impede que você alcance a primeira porta.
A fim de produzir uma rotação forte o suficiente da polarização da luz, esses tipos de diodos devem ser relativamente grandes - muito grandes para caber em computadores de consumo ou smartphones. Como uma alternativa, Dionne e Lawrence descobriram uma maneira de criar rotação em cristal usando outro feixe de luz em vez de um campo magnético. Este feixe é polarizado de modo que seu campo elétrico assume um movimento em espiral que, por sua vez, gera vibrações acústicas rotativas no cristal que conferem a ele habilidades de giro magnéticas e permitem que mais luz saia. Para tornar a estrutura pequena e eficiente, o laboratório Dionne confiou em sua experiência na manipulação e amplificação de luz com minúsculas nanoantenas e materiais nanoestruturados chamados metassuperfícies.
Os pesquisadores projetaram matrizes de discos de silício ultrafinos que funcionam em pares para capturar a luz e aumentar seu movimento em espiral até encontrar uma saída. Isso resulta em alta transmissão na direção para frente. Quando iluminado na direção inversa, as vibrações acústicas giram na direção oposta e ajudam a cancelar qualquer luz que tente sair. Teoricamente, não há limite para o quão pequeno esse sistema pode ser. Para suas simulações, eles imaginaram estruturas tão finas quanto 250 nanômetros. (Para referência, uma folha de papel tem cerca de 100, 000 nanômetros de espessura.)
O que é possivel
Grande imagem, os pesquisadores estão particularmente interessados em como suas idéias podem influenciar o desenvolvimento de computadores semelhantes ao cérebro, chamados de computadores neuromórficos. Este objetivo também exigirá avanços adicionais em outros componentes baseados em luz, como fontes de luz em nanoescala e interruptores.
"Nossos dispositivos nanofotônicos podem nos permitir imitar como os neurônios computam - dando à computação a mesma alta interconectividade e eficiência energética do cérebro, mas com velocidades de computação muito mais rápidas, "Disse Dionne.
"Podemos levar essas ideias em muitas direções, - disse Lawrence. - Não encontramos os limites da computação óptica clássica ou quântica e do processamento óptico de informações. Algum dia poderíamos ter um chip totalmente óptico que faz tudo o que a eletrônica faz e muito mais. "