Pesquisadores desenvolvem switches totalmente ópticos que podem levar a processadores de computador mais rápidos
Princípio básico para dinâmica de comutação ajustável. um O dispositivo de dupla ressonância dupla compreende uma camada de TiN de 130 nm de espessura cultivada em silício, com uma camada AZO de 250 nm de espessura depositada no topo. b Densidade de dissipação de potência normalizada da sonda nas diferentes camadas simuladas pelo COMSOL Multiphysics. Na incidência normal, a bomba de comprimento de onda de 325 nm é fortemente absorvida no AZO e no TiN pela excitação de elétrons em ambos os materiais. Os materiais interagem mais fortemente com a luz próxima aos seus respectivos comprimentos de onda ENZ. Assim, em comprimentos de onda visíveis, a maior parte da sonda interage com o TiN, enquanto as sondas NIR interagem mais com a camada AZO. c A bomba faz com que o espectro de refletância desvie para o vermelho em comprimentos de onda visíveis, enquanto, em comprimentos de onda do infravermelho próximo, a bomba desvia para o azul o espectro de refletância. d O mecanismo de comutação rápida e lenta:TiN tem um tempo de resposta de nanossegundos e AZO um tempo de resposta de picossegundos. Quando excitado pela mesma bomba, o dispositivo tem um tempo de resposta observado mais lento nos comprimentos de onda visíveis da sonda, onde seu comportamento é dominado pela resposta do TiN. Em comprimentos de onda crescentes, sua resposta acelera à medida que aumenta a interação relativa luz-matéria da sonda com o AZO. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41377-5 Os processadores de computador convencionais praticamente atingiram o limite máximo de suas “velocidades de clock” – uma medida de quão rápido eles podem ser ligados e desligados – devido às limitações da comutação eletrônica. Os cientistas que procuram melhorar os processadores dos computadores ficaram intrigados com o potencial da comutação totalmente óptica, que utiliza luz em vez de electricidade para controlar a forma como os dados são processados e armazenados num chip.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade Purdue criaram recentemente um novo tipo de switch totalmente óptico que poderia realizar esse potencial.
"As iterações anteriores de interruptores ópticos tinham tempos de comutação fixos que foram 'incorporados' ao dispositivo durante sua fabricação", disse Soham Saha, da Argonne, um dos bolsistas de pós-doutorado Maria Goeppert Mayer do laboratório que está trabalhando no Argonne Center for Nanoscale Materials, um Instalação do usuário do DOE Office of Science.
Saha e seus colegas criaram uma chave óptica com dois materiais diferentes, cada um com um tempo de comutação diferente. Um material, o óxido de zinco dopado com alumínio, tem um tempo de comutação na faixa de picossegundos, enquanto o outro material, o nitreto de titânio plasmônico, tem um tempo de comutação mais de cem vezes mais lento na faixa de nanossegundos.
“Quando você usa componentes ópticos em vez de circuitos eletrônicos, não há atrasos resistivos-capacitivos, o que significa que, em teoria, você poderia operar esses chips mil vezes mais rápido do que os chips de computador convencionais”, disse Saha.
A diferença nos tempos de comutação entre os dois componentes metálicos significa que o switch pode ser mais flexível e transmitir dados rapidamente enquanto os armazena de forma eficaz, de acordo com Saha. “A natureza bimetálica do interruptor significa que ele pode ser usado para diversas finalidades, dependendo do comprimento de onda da luz que você usa”, disse ele. "Quando você deseja aplicativos mais lentos, como armazenamento de memória, você alterna com um material; para aplicativos mais rápidos, você alterna com outro. Esse recurso é novo."
Na configuração experimental, os materiais da chave funcionam como absorvedores ou refletores de luz, dependendo do comprimento de onda de operação. Quando são ativados por um feixe de luz, eles mudam de estado.
Controlar a velocidade dos switches totalmente ópticos é crucial para otimizar seu desempenho em diversas aplicações. Essas descobertas são promissoras para o desenvolvimento de switches altamente adaptáveis e eficientes em áreas como comunicação aprimorada por fibra óptica, computação óptica e ciência ultrarrápida.
A capacidade de ajustar as velocidades de comutação também nos aproxima de colmatar a lacuna entre as comunicações ópticas e electrónicas, permitindo uma transmissão de dados mais rápida e eficiente.
Esta pesquisa fornece informações valiosas sobre a compreensão fundamental dos switches totalmente ópticos e abre caminho para o design de dispositivos avançados para computação e telecomunicações.
Um artigo baseado na pesquisa, "Engenharia da dinâmica temporal da comutação totalmente óptica com materiais rápidos e lentos", foi publicado na Nature Communications .
Mais informações: Soham Saha et al, Engenharia da dinâmica temporal da comutação totalmente óptica com materiais rápidos e lentos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41377-5 Informações do diário: Comunicações da Natureza
