Uma equipe liderada pelo Sandia National Laboratories usou, pela primeira vez, óptica em vez de eletrônica para mudar um dispositivo de filme fino de nanômetro de completamente escuro para completamente transparente, ou luz, a uma velocidade de trilionésimos de segundo.

A equipe liderada pelo investigador principal Igal Brener publicou um Nature Photonics artigo nesta primavera com colaboradores da North Carolina State University. O artigo descreve o trabalho em processamento óptico de informações, como comutação ou controle de polarização de luz usando luz como feixe de controle, em velocidades terahertz, uma taxa muito mais rápida do que é alcançável hoje por meios eletrônicos, e um tamanho geral de dispositivo menor do que outras tecnologias de comutação totalmente óticas.

Os elétrons girando dentro de dispositivos como aqueles usados ​​em equipamentos de telecomunicações têm um limite de velocidade devido a uma taxa de carregamento lenta e baixa dissipação de calor, então, se o objetivo for uma operação significativamente mais rápida, os elétrons podem ter que dar lugar aos fótons.

Para usar fótons de forma eficaz, a técnica requer um dispositivo que vai de completamente claro a completamente escuro em velocidades de terahertz. No passado, os pesquisadores não conseguiram obter a mudança de contraste necessária de um interruptor óptico na velocidade necessária em um pequeno dispositivo. As tentativas anteriores pareciam mais diminuir a luz do que desligá-la, ou luz necessária para viajar uma longa distância.

A descoberta mostra que é possível fazer comutação totalmente ótica de alto contraste em um dispositivo muito fino, em que a intensidade da luz ou polarização é trocada opticamente, disse Yuanmu Yang, um ex-funcionário de pós-doutorado do Sandia Labs que trabalhou no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuários do Departamento de Energia operada em conjunto pelos laboratórios nacionais Sandia e Los Alamos. O trabalho foi realizado no CINT.

"Em vez de ligar e desligar a corrente, o objetivo seria ligar e desligar a luz a taxas muito mais rápidas do que é possível hoje, "Yang disse.

Processamento de informações mais rápido, importante nas comunicações, pesquisa física

Uma plataforma de comutação muito rápida e compacta abre uma nova maneira de investigar problemas de física fundamentais. "Muitos processos físicos ocorrem em uma velocidade muito rápida, a uma taxa de alguns terahertz, "Yang disse." Ter esta ferramenta nos permite estudar a dinâmica de processos físicos como rotação molecular e spin magnético. É importante para a pesquisa e para levar o conhecimento adiante. "

Ele também pode atuar como um interruptor de polarização rápido - a polarização muda as características da luz - que pode ser usado em imagens biológicas ou espectroscopia química, Disse Brener. "Às vezes você faz medições que exigem a alteração da polarização da luz em uma taxa muito rápida. Nosso dispositivo pode funcionar assim também. É um interruptor absoluto que liga e desliga ou um interruptor de polarização que apenas muda a polarização da luz."

O processamento ultrarrápido de informações "é importante para a computação, telecomunicações, processamento de sinal, processamento de imagem e em experimentos de química e biologia em que você deseja uma comutação muito rápida, "Brener disse." Existem algumas técnicas de imagem baseadas em laser que se beneficiarão com a troca rápida também. "

A descoberta da equipe surgiu de uma pesquisa financiada pelas Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia, Divisão de Ciências e Engenharia de Materiais, naquela, entre outras coisas, permite que Sandia estude a interação luz-matéria e diferentes conceitos em nanofotônica.

"Este é um exemplo em que cresceu organicamente de uma pesquisa fundamental para algo que tem um desempenho incrível, "Brener disse." Além disso, tivemos a sorte de ter uma colaboração com a North Carolina State University. Eles tinham o material e percebemos que poderíamos usá-lo para esse fim. Não foi impulsionado por um projeto aplicado; Foi o contrário."

A técnica usa feixes de laser para transportar informações, trocar de dispositivo

A técnica usa dois feixes de laser, um transportando as informações e o segundo ligando e desligando o dispositivo.

O feixe de comutação usa fótons para aquecer elétrons dentro de semicondutores a temperaturas de alguns milhares de graus Fahrenheit, o que não faz com que a amostra fique tão quente, mas muda drasticamente as propriedades ópticas do material. O material também relaxa em velocidades terahertz, em algumas centenas de femtossegundos ou em menos de um trilionésimo de segundo. "Portanto, podemos ligar e desligar esse material a uma taxa de alguns trilhões de vezes por segundo, "Yang disse.

Os pesquisadores da Sandia ligam e desligam o interruptor óptico criando algo chamado de cavidade plasmônica, que confina a luz em algumas dezenas de nanômetros, e aumenta significativamente a interação luz-matéria. Usando um material plasmônico especial, dopado com óxido de cádmio do estado da Carolina do Norte, eles construíram uma cavidade plasmônica de alta qualidade. O aquecimento de elétrons no óxido de cádmio dopado modifica drasticamente as propriedades optoelétricas da cavidade plasmônica, modulando a intensidade da luz refletida.

Os materiais plasmônicos tradicionais, como ouro ou prata, são pouco sensíveis ao feixe de controle óptico. Direcionar um feixe sobre eles não altera suas propriedades de claro para escuro ou vice-versa. O feixe de controle óptico, Contudo, altera a cavidade de óxido de cádmio dopado muito rapidamente, controlando suas propriedades ópticas como um interruptor liga-desliga.

A próxima etapa é descobrir como usar pulsos elétricos em vez de pulsos ópticos para ativar a chave, uma vez que uma abordagem totalmente óptica ainda requer grandes equipamentos, Disse Brener. Ele estima que o trabalho pode levar de três a cinco anos.

"Para fins práticos, você precisa miniaturizar e fazer isso eletricamente, " ele disse.

Os autores do artigo são Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk e Mike Sinclair da Sandia Labs e Jon-Paul Maria, Kyle Kelley e Edward Sachet no estado da Carolina do Norte.