Intensidade de espalhamento de luz em um ressonador Mie de silício como uma função da força de excitação com tamanhos de ressonador de 100, 170, e 190 nm. As linhas vermelhas sólidas mostram as respostas lineares correspondentes. Crédito:Universidade de Osaka
Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Osaka e pela Universidade Nacional de Taiwan criou um sistema de ressonadores de silício em nanoescala que podem atuar como portas lógicas para pulsos de luz. Este trabalho pode levar à próxima geração de processadores de computador baseados em silício que preenchem a lacuna entre os sinais eletrônicos e ópticos.
O silício está entre os elementos abundantes em nosso planeta - e é a base de toda a computação moderna. Isso é, de smartphones a mainframes, todos os cálculos acontecem com base em sinais elétricos que passam por transistores de silício. Fazer interruptores e portas lógicas a partir de sinais eletrônicos é fácil, uma vez que as tensões podem controlar o fluxo de corrente em outros fios. Contudo, os dados na Internet são enviados principalmente como pulsos de luz por cabos de fibra óptica. A capacidade de controlar os dados e a lógica completamente com luz de silício pode levar a dispositivos muito mais rápidos.
O desafio é que as partículas de luz, chamados fótons, dificilmente interagem uns com os outros, portanto, os pulsos não podem ligar ou desligar uns aos outros para realizar tarefas lógicas. A óptica não linear é o campo de estudo que trabalha para encontrar materiais nos quais os feixes de luz interagem de alguma forma. Infelizmente, a não linearidade do silício de cristal único é extremamente fraca, então no passado, foi necessário usar lasers muito intensos.
Agora, cientistas da Universidade de Osaka e da Universidade Nacional de Taiwan aumentaram a não linearidade do silício 100, 000 vezes criando um ressonador nano-óptico, para que os interruptores totalmente ópticos possam ser operados usando um laser contínuo de baixa potência. Eles conseguiram isso fabricando ressoadores minúsculos de blocos de silício com menos de 200 nm de tamanho. A luz laser com comprimento de onda de 592 nm pode ficar presa dentro e aquecer rapidamente os blocos, baseado no princípio da ressonância de Mie. "Uma ressonância de Mie ocorre quando o tamanho de uma nanopartícula corresponde a um múltiplo do comprimento de onda da luz, "o autor Yusuke Nagasaki diz.
Demonstração de interruptor óptico por luz controlada (comprimento de onda de 592 nm). A intensidade da luz do sinal (543 nm) é comutada ligando ou desligando a luz controlada. Crédito:Universidade de Osaka
Com um nanobloco em um estado quente induzido termo-opticamente, um segundo pulso de laser a 543 nm pode passar quase sem espalhamento, o que não é o caso quando o primeiro laser é desligado. O bloco pode ser resfriado com tempos de relaxamento medidos em nanossegundos. Essa não linearidade grande e rápida leva a aplicações potenciais para o controle totalmente óptico de GHz em nanoescala. "Espera-se que o silício continue a ser o material de escolha para circuitos ópticos integrados e dispositivos ópticos, ", disse o autor sênior Junichi Takahara.
O trabalho atual permite comutadores ópticos que ocupam muito menos espaço do que as tentativas anteriores. Esse avanço abre o caminho para a integração direta no chip, bem como para imagens de super-resolução.
