Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas desenvolveram um interruptor óptico que direciona a luz de um chip de computador para outro em apenas 20 bilionésimos de segundo - mais rápido do que qualquer outro dispositivo semelhante. O switch compacto é o primeiro a operar em tensões baixas o suficiente para ser integrado em chips de silício de baixo custo e redireciona a luz com perda de sinal muito baixa.

O desempenho recorde do switch é um novo passo importante para a construção de um computador que usa luz em vez de eletricidade para processar informações. Depender de partículas de luz - fótons - para transportar dados dentro de um computador oferece várias vantagens em relação às comunicações eletrônicas. Os fótons viajam mais rápido do que os elétrons e não desperdiçam energia aquecendo os componentes do computador. Gerenciar esse calor residual é uma grande barreira para melhorar o desempenho do computador. Sinais de luz têm sido usados ​​há décadas para transmitir informações a grandes distâncias usando fibras ópticas, mas as fibras ocupam muito espaço para serem usadas para transportar dados através de um chip de computador.

O novo switch combina ouro em escala nanométrica e silício óptico, componentes elétricos e mecânicos, tudo densamente embalado, para canalizar a luz para dentro e para fora de uma pista de corrida em miniatura, altere sua velocidade, e mudar sua direção de viagem. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, ou cerca de um centésimo milésimo da largura de um cabelo humano.) A equipe internacional liderada pelo NIST descreve o dispositivo online hoje em Ciência .

O dispositivo tem uma infinidade de aplicativos, observa o co-autor do estudo Christian Haffner, do NIST, ETH Zurich e da Universidade de Maryland. Em carros sem motorista, o interruptor pode redirecionar rapidamente um único feixe de luz que deve examinar continuamente todas as partes da estrada para medir a distância de outros automóveis e pedestres. O dispositivo também pode facilitar o uso de circuitos baseados em luz mais poderosos em vez de circuitos baseados em eletricidade em redes neurais. São sistemas de inteligência artificial que simulam como os neurônios do cérebro humano tomam decisões sobre tarefas complexas como reconhecimento de padrões e gerenciamento de risco.

A nova tecnologia também usa muito pouca energia para redirecionar os sinais de luz. Esse recurso pode ajudar a realizar o sonho da computação quântica. Um computador quântico processa dados armazenados nas inter-relações sutis entre pares especialmente preparados de partículas subatômicas. Contudo, essas relações são extremamente frágeis, exigindo que um computador opere em temperaturas ultrabaixas e baixa potência, de modo que os pares de partículas sejam perturbados o menos possível. Como o novo switch óptico requer pouca energia - ao contrário dos switches ópticos anteriores - ele pode se tornar parte integrante de um computador quântico.

Haffner e seus colegas, que incluem Vladimir Aksyuk e Henri Lezec do NIST, dizem que suas descobertas podem ser uma surpresa para muitos na comunidade científica porque os resultados contradizem crenças de longa data. Alguns pesquisadores pensaram que interruptores optoeletromecânicos não seriam práticos porque seriam volumosos, operar muito devagar e exigir voltagens muito altas para os componentes de um chip de computador tolerarem.

O switch explora a natureza ondulatória da luz. Quando duas ondas de luz idênticas se encontram, eles podem se sobrepor de modo que a crista de uma onda alinhe ou reforce a crista da outra, criando um padrão brilhante conhecido como interferência construtiva. As duas ondas também podem estar exatamente fora de compasso, de modo que o vale de uma onda cancela a crista da outra, resultando em um padrão escuro - interferência destrutiva.

Na configuração da equipe, um feixe de luz está confinado a viajar dentro de uma rodovia em miniatura - um canal em forma de tubo conhecido como guia de ondas. Esta rodovia linear foi projetada para ter uma rampa de saída - parte da luz pode sair para uma cavidade em forma de pista de corrida, apenas alguns nanômetros de distância, gravado em um disco de silício. Se a luz tem o comprimento de onda certo, ele pode girar em torno da pista de corrida muitas vezes antes de sair da cavidade de silício.

O switch tem outro componente crucial:uma membrana fina de ouro suspensa apenas algumas dezenas de nanômetros acima do disco de silício. Parte da luz que viaja na pista de corrida de silício vaza e atinge a membrana, induzindo grupos de elétrons na superfície da membrana a oscilar. Essas oscilações, conhecidos como plasmons, são uma espécie de híbrido entre uma onda de luz e uma onda de elétron:os elétrons oscilantes se assemelham à onda de luz entrante porque vibram na mesma frequência, mas eles têm um comprimento de onda muito mais curto. O comprimento de onda mais curto permite que os pesquisadores manipulem os plasmons em distâncias em nanoescala, muito mais curto do que o comprimento da onda de luz original, antes de converter as oscilações de volta em luz. Esse, por sua vez, permite que o interruptor óptico permaneça extremamente compacto.

Ao alterar a largura da lacuna entre o disco de silício e a membrana de ouro em apenas alguns nanômetros, os pesquisadores podem atrasar ou avançar a fase da onda de luz híbrida - o ponto no tempo em que a onda atinge uma crista ou vale. Mesmo variações mínimas na largura da lacuna, que a equipe realizou dobrando eletrostaticamente a membrana de ouro, alterou dramaticamente a fase.

Dependendo de quanto a equipe avançou ou atrasou a fase da onda, quando se recombinou com a luz ainda viajando na rodovia em forma de tubo, os dois feixes interferiram de forma construtiva ou destrutiva (veja a animação). Se os feixes de luz combinam para interferir construtivamente, a luz continuará em sua direção original, viajando pelo tubo. Mas se os feixes de luz interferirem destrutivamente, cancelando um ao outro, esse caminho está bloqueado. Em vez de, a luz deve se mover em outra direção, determinado pela orientação de outros guias de ondas, ou rotas, colocado próximo ao caminho bloqueado. Desta maneira, a luz pode ser ligada à vontade para qualquer uma das centenas de outros chips de computador.

Os cientistas já pensaram que um sistema plasmônico atenuaria muito os sinais de luz porque os fótons penetrariam no interior da membrana de ouro, onde os elétrons absorveriam grande parte da energia luminosa.

Mas os pesquisadores agora provaram que essa suposição estava errada. A compactação do dispositivo e um design que garantiu que poucos fótons penetrassem na membrana resultaram em uma perda de apenas 2,5% do sinal de luz, em comparação com 60% com as opções anteriores. Isso coloca a chave, embora ainda seja um protótipo, ao alcance de aplicações comerciais.

A equipe agora está trabalhando para tornar o dispositivo ainda menor, encurtando a distância entre o disco de silício e a membrana de ouro. Isso reduziria ainda mais a perda de sinal, tornando a tecnologia ainda mais atraente para a indústria.