Pesquisadores de Illinois demonstraram que as ondas sonoras podem ser usadas para produzir diodos óticos ultraminiatura que são pequenos o suficiente para caber em um chip de computador. Esses dispositivos, chamados isoladores ópticos, pode ajudar a resolver os principais desafios de capacidade de dados e tamanho do sistema para circuitos integrados fotônicos, o equivalente baseado em luz de circuitos eletrônicos, que são usados ​​para computação e comunicações.

Os isoladores são dispositivos não recíprocos ou "unilaterais" semelhantes aos diodos eletrônicos. Eles protegem as fontes de laser de reflexos traseiros e são necessários para o roteamento de sinais de luz em redes ópticas. Hoje, a tecnologia dominante para a produção de tais dispositivos não recíprocos requer materiais que mudam suas propriedades ópticas em resposta a campos magnéticos, disseram os pesquisadores.

"Existem vários problemas com o uso de materiais responsivos magneticamente para atingir o fluxo unilateral de luz em um chip fotônico, "disse o professor de ciência mecânica e engenharia e co-autor do estudo Gaurav Bahl." Primeiro, a indústria simplesmente não tem boa capacidade para colocar ímãs compactos em um chip. Mas mais importante, os materiais necessários ainda não estão disponíveis nas fundições de fotônica. É por isso que a indústria precisa desesperadamente de uma abordagem melhor que use apenas materiais convencionais e evite campos magnéticos por completo. "

Em um estudo publicado na revista Nature Photonics , os pesquisadores explicam como eles usam o acoplamento minúsculo entre luz e som para fornecer uma solução única que permite dispositivos não recíprocos com quase qualquer material fotônico.

Contudo, o tamanho físico do dispositivo e a disponibilidade de materiais não são os únicos problemas com o estado da arte atual, disseram os pesquisadores.

"As tentativas de laboratório de produzir isoladores ópticos magnéticos compactos sempre foram prejudicadas por grandes perdas ópticas, "disse o estudante de graduação e autor principal Benjamin Sohn." A indústria fotônica não pode arcar com essa perda relacionada ao material e também precisa de uma solução que forneça largura de banda suficiente para ser comparável à técnica magnética tradicional. Até agora, não existe uma abordagem sem ímã que seja competitiva. "

O novo dispositivo tem apenas 200 por 100 mícrons de tamanho - cerca de 10, 000 vezes menor que um centímetro quadrado - e feito de nitreto de alumínio, um material transparente que transmite luz e é compatível com fundições fotônicas. "As ondas sonoras são produzidas de forma semelhante a um alto-falante piezoelétrico, usando eletrodos minúsculos escritos diretamente no nitreto de alumínio com um feixe de elétrons. São essas ondas sonoras que compelem a luz dentro do dispositivo a viajar apenas em uma direção. Esta é a primeira vez que um isolador sem ímã ultrapassou a largura de banda gigahertz, "Sohn disse.

Os pesquisadores estão procurando maneiras de aumentar a largura de banda ou a capacidade de dados desses isoladores e estão confiantes de que podem superar esse obstáculo. Depois de aperfeiçoado, eles imaginam aplicações transformadoras em sistemas de comunicação fotônica, giroscópios, Sistemas GPS, cronometragem atômica e data centers.

"Os data centers lidam com enormes quantidades de tráfego de dados da Internet e consomem grandes quantidades de energia para a rede e para manter os servidores resfriados, "Bahl disse." A comunicação baseada em luz é desejável porque produz muito menos calor, o que significa que muito menos energia pode ser gasta no resfriamento do servidor enquanto se transmite muito mais dados por segundo. "

Além do potencial tecnológico, os pesquisadores não podem deixar de ficar hipnotizados pela ciência fundamental por trás desse avanço.

"Na vida cotidiana, não vemos as interações da luz com o som, "Bahl disse." A luz pode passar através de um painel de vidro transparente sem fazer nada de estranho. Nosso campo de pesquisa descobriu que luz e som fazem, na verdade, interagir de uma forma muito sutil. Se você aplicar os princípios de engenharia certos, você pode agitar um material transparente da maneira certa para realçar esses efeitos e resolver este grande desafio científico. Parece quase mágico. "