Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Skoltech e IBM criou um switch ótico extremamente eficiente em termos de energia que poderia substituir os transistores eletrônicos em uma nova geração de computadores que manipulam fótons em vez de elétrons. Além de economia de energia direta, a mudança não requer resfriamento e é muito rápida:a 1 trilhão de operações por segundo, está entre 100 e 1, 000 vezes mais rápido do que os transistores comerciais de primeira linha. O estudo sai quarta-feira em Natureza .

"O que torna o novo dispositivo tão eficiente em termos de energia é que leva apenas alguns fótons para mudar, "o primeiro autor do estudo, Dr. Anton Zasedatelev comentou. "Na verdade, em nossos laboratórios Skoltech, alcançamos a comutação com apenas um fóton à temperatura ambiente. Dito isto, há um longo caminho a percorrer antes que tal demonstração de prova de princípio seja utilizada em um coprocessador totalmente óptico, "acrescentou o professor Pavlos Lagoudakis, que dirige o Hybrid Photonics Labs na Skoltech.

Uma vez que um fóton é a menor partícula de luz que existe na natureza, realmente não há muito espaço para melhorias além disso no que diz respeito ao consumo de energia. A maioria dos transistores elétricos modernos consomem dezenas de vezes mais energia para mudar, e aqueles que usam elétrons únicos para alcançar eficiências comparáveis ​​são muito mais lentos.

Além dos problemas de desempenho, os transistores eletrônicos de economia de energia concorrentes também tendem a exigir equipamentos de resfriamento volumosos, que, por sua vez, consome energia e influencia os custos operacionais. O novo switch funciona convenientemente à temperatura ambiente e, portanto, contorna todos esses problemas.

Além de sua função primária de transistor, o switch pode atuar como um componente que conecta dispositivos transportando dados entre eles na forma de sinais ópticos. Ele também pode servir como um amplificador, aumentando a intensidade de um feixe de laser de entrada por um fator de até 23, 000

Como funciona

O dispositivo depende de dois lasers para definir seu estado como "0" ou "1" e para alternar entre eles. Um feixe de laser de controle muito fraco é usado para girar outro, feixe de laser mais brilhante ligado ou desligado. Leva apenas alguns fótons no feixe de controle, daí a alta eficiência do dispositivo.

A comutação ocorre dentro de uma microcavidade - um polímero semicondutor orgânico fino de 35 nanômetros imprensado entre estruturas inorgânicas altamente reflexivas. A microcavidade é construída de forma a manter a luz que entra presa em seu interior pelo maior tempo possível para favorecer seu acoplamento com o material da cavidade.

Este acoplamento de matéria leve forma a base do novo dispositivo. Quando os fótons se acoplam fortemente aos pares de elétron-buraco - também conhecidos como excitons - no material da cavidade, isso dá origem a entidades de curta duração chamadas de exciton-polaritons, que são uma espécie de quasipartículas no centro da operação do switch.

Quando o laser da bomba - o mais brilhante dos dois - brilha no interruptor, isso cria milhares de quasipartículas idênticas no mesmo local, formando o chamado condensado de Bose-Einstein, que codifica os estados lógicos "0" e "1" do dispositivo.

Para alternar entre os dois níveis do dispositivo, a equipe usou um pulso de laser de controle semeando o condensado pouco antes da chegada do pulso de laser da bomba. Como resultado, estimula a conversão de energia da bomba de laser, aumentando a quantidade de quasipartículas no condensado. A grande quantidade de partículas ali corresponde ao estado "1" do dispositivo.

Os pesquisadores usaram vários ajustes para garantir baixo consumo de energia:Primeiro, a comutação eficiente foi auxiliada pelas vibrações das moléculas do polímero semicondutor. O truque era combinar a lacuna de energia entre os estados bombeados e o estado condensado com a energia de uma vibração molecular específica no polímero. Segundo, a equipe conseguiu encontrar o comprimento de onda ideal para ajustar seu laser e implementou um novo esquema de medição que permite a detecção de condensado de disparo único. Terceiro, o laser de controle que semeia o condensado e seu esquema de detecção foram combinados de uma forma que suprimiu o ruído da emissão de "fundo" do dispositivo. Essas medidas maximizaram o nível de sinal-ruído do dispositivo e evitaram que um excesso de energia fosse absorvido pela microcavidade, o que só serviria para aquecê-lo por meio de vibrações moleculares.

"Ainda há algum trabalho pela frente para reduzir o consumo geral de energia de nosso dispositivo, que atualmente é dominado pela bomba de laser que mantém o interruptor ligado. Uma rota em direção a esse objetivo poderia ser materiais supercristais de perovskita, como os que estamos explorando com os colaboradores. Eles provaram ser excelentes candidatos devido ao seu forte acoplamento de matéria leve que, por sua vez, leva a uma poderosa resposta quântica coletiva na forma de superfluorescência, "comenta a equipe.

No esquema mais amplo das coisas, os pesquisadores veem seu novo switch como apenas um no crescente kit de ferramentas de componentes totalmente óticos que eles vêm montando nos últimos anos. Entre outras coisas, ele inclui um guia de ondas de silício de baixa perda para transportar os sinais ópticos para frente e para trás entre os transistores. O desenvolvimento desses componentes nos aproxima cada vez mais dos computadores ópticos que manipulariam fótons em vez de elétrons, resultando em desempenho muito superior e menor consumo de energia.