p A corrida para tornar os componentes do computador menores e mais rápidos e usar menos energia está empurrando os limites das propriedades dos elétrons em um material. Os sistemas fotônicos podem eventualmente substituir os eletrônicos, mas os fundamentos da computação, misturar duas entradas em uma única saída, atualmente requerem muito espaço e energia quando feito com luz. p Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia desenvolveram um sistema de nanofios que pode abrir caminho para essa capacidade, combinar duas ondas de luz para produzir uma terceira com uma frequência diferente e usar uma cavidade óptica para amplificar a intensidade da saída para um nível utilizável.

p O estudo foi liderado por Ritesh Agarwal, professor de ciência de materiais e engenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn, e Ming-Liang Ren, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Outros membros do laboratório Agarwal, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti e Liaoxin Sun, contribuíram para o estudo.

p Foi publicado em Nature Communications .

p Os sistemas de computador atuais representam bits de informação - os 1s e 0s do código binário - com eletricidade. Elementos de circuito, como transistores, operar nesses sinais elétricos, produzindo saídas que são dependentes de suas entradas.

p "Misturar dois sinais de entrada para obter uma nova saída é a base do cálculo, "Agarwal disse." É fácil fazer com sinais elétricos, mas não é fácil fazer com luz, já que as ondas de luz normalmente não interagem umas com as outras. "

p A dificuldade inerente à "mistura" de luz pode parecer contra-intuitiva, dada a gama de cores na TV ou na tela do computador que são produzidas exclusivamente por combinações de vermelho, pixels verdes e azuis. Os amarelos, laranjas e roxos que esses monitores fazem, Contudo, são um truque de percepção, não da física. As luzes vermelha e azul são simplesmente experimentadas simultaneamente, em vez de combinados em um único comprimento de onda roxo.

p Os chamados materiais "não lineares" são capazes desse tipo de mistura, mas mesmo os melhores candidatos nesta categoria ainda não são viáveis ​​para aplicações computacionais devido às restrições de alta potência e grande volume.

p "Um material não linear, tal sulfeto de cádmio, pode mudar a frequência, e assim a cor, de luz que passa por ele, "Ren disse, "mas você precisa de um laser poderoso, e, mesmo assim, o material precisa ter muitos micrômetros e até mesmo milímetros de espessura. Isso não funciona para um chip de computador. "

p Para reduzir o volume do material e a potência da luz necessária para fazer uma mixagem de sinal útil, os pesquisadores precisavam de uma maneira de amplificar a intensidade de uma onda de luz à medida que ela passava por um nanofio de sulfeto de cádmio.

p Os pesquisadores conseguiram isso por meio de um truque inteligente de engenharia óptica:envolver parcialmente o nanofio em uma casca de prata que atua como uma câmara de eco. O grupo de Agarwal havia empregado um projeto semelhante antes em um esforço para criar dispositivos fotônicos que pudessem ligar e desligar muito rapidamente. Esta qualidade baseou-se em um fenômeno conhecido como ressonância de plasmon de superfície, mas, mudando a polarização da luz conforme ela entrava no nanofio, os pesquisadores foram capazes de confiná-lo melhor à alteração de frequência, parte não linear do dispositivo:o núcleo do nanofio.

p "Ao projetar a estrutura de modo que a luz esteja contida principalmente no sulfeto de cádmio, em vez de na interface entre ele e a camada de prata, podemos maximizar a intensidade enquanto geramos o segundo harmônico, "Ren disse.

p Como um segundo harmônico tocado em uma corda de violão, isso significava dobrar a frequência da onda de luz. As informações em um sistema de computador fotônico podem ser codificadas na frequência de uma onda, ou o número de oscilações que faz em um segundo. Ser capaz de manipular essa qualidade em uma onda com outra permite os fundamentos da lógica do computador.

p "Queremos mostrar que podemos somar duas frequências de luz, "Agarwal disse, "então simplificamos o experimento. Ao pegar uma frequência e adicioná-la a si mesma, você obtém o dobro da frequência no final. Em última análise, queremos ser capazes de sintonizar a luz em qualquer frequência necessária, o que pode ser feito alterando o tamanho do nanofio e da casca. "

p Mais importante, Contudo, foi que essa mistura de frequência foi possível em nanoescala com eficiência muito alta. A cavidade óptica dos pesquisadores foi capaz de aumentar a intensidade da onda de saída em mais de mil vezes.

p "A eficiência de mudança de frequência do sulfeto de cádmio é intrínseca ao material, mas depende do volume do material pelo qual a onda passa, "Agarwal disse." Adicionando a concha de prata, podemos diminuir significativamente o volume necessário para obter um sinal utilizável e empurrar o tamanho do dispositivo para a nanoescala. "