Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do King's College London superaram o obstáculo que havia impedido a criação de nanolasers eletricamente acionados para circuitos integrados. A abordagem, relatado em um artigo recente em Nanofotônica , permite um projeto de fonte de luz coerente em escala não apenas centenas de vezes menor que a espessura de um cabelo humano, mas ainda menor que o comprimento de onda da luz emitida pelo laser. Isso estabelece a base para a transferência de dados óticos ultrarrápidos nos microprocessadores manycore que devem surgir em um futuro próximo.

Os sinais de luz revolucionaram as tecnologias de informação na década de 1980, quando as fibras ópticas começaram a substituir os fios de cobre, tornando a transmissão de dados ordens de magnitude mais rápida. Uma vez que a comunicação óptica depende de luz - ondas eletromagnéticas com uma frequência de várias centenas de terahertz - ela permite a transferência de terabytes de dados a cada segundo por meio de uma única fibra, superando amplamente as interconexões elétricas.

A fibra óptica é a base da internet moderna, mas a luz poderia fazer muito mais por nós. Ele poderia ser colocado em ação mesmo dentro de microprocessadores de supercomputadores, estações de trabalho, smartphones, e outros dispositivos. Isso requer o uso de linhas de comunicação óptica para interconectar os componentes puramente eletrônicos, como núcleos de processador. Como resultado, grandes quantidades de informações podiam ser transferidas pelo chip quase instantaneamente.

Livrar-se da limitação da transmissão de dados tornará possível melhorar diretamente o desempenho do microprocessador, empilhando mais núcleos de processador, a ponto de criar um 1, Processador de 000 núcleos que seria virtualmente 100 vezes mais rápido do que seu equivalente de 10 núcleos, que é perseguido pelos gigantes da indústria de semicondutores IBM, HP, Intel, Oráculo, e outros. Isso, por sua vez, tornará possível projetar um verdadeiro supercomputador em um único chip.

O desafio é conectar óptica e eletrônica em nanoescala. Para alcançar isto, os componentes ópticos não podem ser maiores do que centenas de nanômetros, que é cerca de 100 vezes menor que a largura de um cabelo humano. Essa restrição de tamanho também se aplica a lasers no chip, que são necessários para converter informações de sinais elétricos em pulsos ópticos que transportam os bits dos dados.

Contudo, a luz é um tipo de radiação eletromagnética com comprimento de onda de centenas de nanômetros. E o princípio da incerteza quântica diz que há um certo volume mínimo que as partículas de luz, ou fótons, pode ser localizado em. Não pode ser menor que o cubo do comprimento de onda. Em termos grosseiros, se um faz um laser muito pequeno, os fótons não cabem nele. Dito isto, existem maneiras de contornar essa restrição no tamanho dos dispositivos ópticos, que é conhecido como limite de difração. A solução é substituir os fótons por plasma-polaritons de superfície, ou SPPs.

SPPs são oscilações coletivas de elétrons que estão confinados à superfície de um metal e interagem com o campo eletromagnético circundante. Apenas alguns metais conhecidos como metais plasmônicos são bons para trabalhar com SPPs:ouro, prata, cobre, e alumínio. Assim como os fótons, SPPs são ondas eletromagnéticas, mas na mesma frequência eles são muito melhor localizados, isto é, eles ocupam menos espaço. Usar SPPs em vez de fótons torna possível "comprimir" a luz e, assim, superar o limite de difração.

O projeto de lasers plasmônicos verdadeiramente em nanoescala já é possível com as tecnologias atuais. Contudo, esses nanolasers são bombeados opticamente, isso é, eles têm que ser iluminados com lasers externos volumosos e de alta potência. Isso pode ser conveniente para experimentos científicos, mas não fora do laboratório. Um chip eletrônico destinado à produção em massa e aplicações da vida real deve incorporar centenas de nanolasers e operar em uma placa de circuito impresso comum. Um laser prático precisa ser bombeado eletricamente, ou, em outras palavras, alimentado por uma bateria comum ou fonte de alimentação DC. Até agora, esses lasers estão disponíveis apenas como dispositivos que operam em temperaturas criogênicas, que não é adequado para a maioria das aplicações práticas, uma vez que manter o resfriamento de nitrogênio líquido normalmente não é possível.

Os físicos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) e do King's College London propuseram uma alternativa ao funcionamento convencional do bombeamento elétrico. Normalmente, o esquema de bombeamento elétrico de nanolasers requer um contato ôhmico feito de titânio, cromo, ou um metal semelhante. Além disso, esse contato tem que ser uma parte do ressonador - o volume onde a radiação do laser é gerada. O problema com isso é que o titânio e o cromo absorvem fortemente a luz, que prejudica o desempenho do ressonador. Esses lasers sofrem com a alta corrente da bomba e são suscetíveis a superaquecimento. É por isso que surge a necessidade de resfriamento criogênico, junto com todos os inconvenientes que isso acarreta.

O novo esquema proposto para bombeamento elétrico é baseado em uma dupla heteroestrutura com um contato Schottky de tunelamento. Ele torna redundante o contato ôhmico com seu metal fortemente absorvente. O bombeamento agora acontece através da interface entre o metal plasmônico e o semicondutor, ao longo do qual os SPPs se propagam. "Nossa nova abordagem de bombeamento torna possível trazer o laser eletricamente acionado para a nanoescala, ao mesmo tempo em que mantém sua capacidade de operar em temperatura ambiente. Ao mesmo tempo, ao contrário de outros nanolasers eletricamente bombeados, a radiação é efetivamente direcionada a um guia de onda fotônico ou plasmônico, tornando o nanolaser adequado para circuitos integrados, "O Dr. Dmitry Fedyanin do Centro de Fotônica e Materiais 2-D do MIPT comentou.

O nanolaser plasmônico proposto pelos pesquisadores é menor - em cada uma de suas três dimensões - do que o comprimento de onda da luz que emite. Além disso, o volume ocupado por SPPs no nanolaser é 30 vezes menor do que o comprimento de onda da luz ao cubo. De acordo com os pesquisadores, seu nanolaser plasmônico à temperatura ambiente poderia ser facilmente tornado ainda menor, tornando suas características ainda mais impressionantes, mas isso custaria a incapacidade de extrair efetivamente a radiação para um guia de ondas de ônibus. Assim, enquanto uma maior miniaturização tornaria o dispositivo pouco aplicável a circuitos integrados on-chip, ainda seria conveniente para sensores químicos e biológicos e espectroscopia óptica de campo próximo ou optogenética.

Apesar de suas dimensões em nanoescala, a potência de saída prevista do nanolaser atinge mais de 100 microwatts, que é comparável a lasers fotônicos muito maiores. Essa alta potência de saída permite que cada nanolaser seja usado para transmitir centenas de gigabits por segundo, eliminando um dos obstáculos mais formidáveis ​​aos microchips de alto desempenho. E isso inclui todos os tipos de dispositivos de computação de ponta:processadores de supercomputador, processadores gráficos, e talvez até mesmo alguns aparelhos a serem inventados no futuro.