Físicos da Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveram um nanolaser, mil vezes mais fino que um cabelo humano. Graças a um processo engenhoso, os lasers de nanofios crescem diretamente em um chip de silício, tornando possível a produção econômica de componentes fotônicos de alto desempenho. Isso abrirá caminho para um processamento de dados rápido e eficiente com luz no futuro.

Cada vez menor, cada vez mais rápido, cada vez mais barato - desde o início da era do computador, o desempenho dos processadores dobrou em média a cada 18 meses. 50 anos atrás já, O cofundador da Intel, Gordon E. Moore, prognosticou esse crescimento surpreendente no desempenho. E a lei de Moore parece ser verdadeira até hoje.

Mas a miniaturização da eletrônica está atingindo seus limites físicos. "Já hoje, os transistores têm apenas alguns nanômetros de tamanho. Outras reduções são terrivelmente caras, "diz o professor Jonathan Finley, Diretor do Instituto Walter Schottky da TUM. "Melhorar o desempenho só é possível substituindo elétrons por fótons, ou seja, partículas de luz. "

Fotônica - a bala de prata da miniaturização

A transmissão e o processamento de dados com luz têm o potencial de quebrar as barreiras da eletrônica atual. Na verdade, os primeiros chips fotônicos baseados em silício já existem. Contudo, as fontes de luz para a transmissão de dados devem ser anexadas ao silício em processos de fabricação complicados e elaborados. Pesquisadores de todo o mundo estão, portanto, em busca de abordagens alternativas.

Cientistas da TU Munich agora obtiveram sucesso neste empreendimento:o Dr. Gregor Koblmüller, do Departamento de Semicondutores Quantum-Nanosystems, em colaboração com Jonathan Finley, desenvolveu um processo para depositar nanolasers diretamente em chips de silício. Uma patente para a tecnologia está pendente.

O crescimento de um semicondutor III-V em silício requer experimentação tenaz. "Os dois materiais têm diferentes parâmetros de rede e diferentes coeficientes de expansão térmica. Isso leva à deformação, "explica Koblmüller." Por exemplo, o crescimento planar convencional de arsenieto de gálio em uma superfície de silício resulta, portanto, em um grande número de defeitos. "

A equipe do TUM resolveu esse problema de uma maneira engenhosa:ao depositar nanofios que são autônomos em silício, suas pegadas são apenas alguns nanômetros quadrados. Os cientistas poderiam, assim, impedir o surgimento de defeitos no material GaAs.

Átomo por átomo para um nanofio

Mas como transformar um nanofio em um laser de cavidade vertical? Para gerar luz coerente, os fótons devem ser refletidos nas extremidades superior e inferior do fio, amplificando assim a luz até atingir o limite desejado para lasing.

Para cumprir essas condições, os pesquisadores tiveram que desenvolver um simples, solução ainda sofisticada:"A interface entre o arseneto de gálio e o silício não reflete a luz suficientemente. Assim, construímos um espelho adicional - uma camada de óxido de silício de 200 nanômetros de espessura que evaporamos no silício, "explica Benedikt Mayer, candidato ao doutorado na equipe liderada por Koblmüller e Finley. "Pequenos orifícios podem ser gravados na camada do espelho. Usando epitaxia, os nanofios semicondutores podem ser cultivados átomo por átomo a partir desses buracos. "

Somente quando os fios se projetam para além da superfície do espelho, eles podem crescer lateralmente - até que o semicondutor seja espesso o suficiente para permitir que os fótons se movam para frente e para trás para permitir a emissão estimulada e o lasing. "Este processo é muito elegante porque nos permite posicionar os lasers de nanofios diretamente também em guias de onda no chip de silício, "diz Koblmüller.

Pesquisa básica sobre o caminho para as aplicações

Atualmente, os novos lasers de nanofio de arseneto de gálio produzem luz infravermelha em um comprimento de onda predefinido e sob excitação pulsada. "No futuro, queremos modificar o comprimento de onda de emissão e outros parâmetros do laser para controlar melhor a estabilidade da temperatura e a propagação da luz sob excitação contínua dentro dos chips de silício, "acrescenta Finley.

A equipe acaba de publicar seus primeiros sucessos nessa direção. E eles se concentraram firmemente em seu próximo objetivo:"Queremos criar uma interface elétrica para que possamos operar os nanofios sob injeção elétrica em vez de depender de lasers externos, "explica Koblmüller.

“O trabalho é um pré-requisito importante para o desenvolvimento de componentes ópticos de alto desempenho em futuros computadores, "resume Finley." Fomos capazes de demonstrar que a fabricação de chips de silício com lasers de nanofios integrados é possível. "