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 computadores de próxima geração que controlam fótons em vez de elétrons.
Além da economia de energia direta, o switch não requer resfriamento e é extremamente rápido: a 1 trilhão de operações por segundo, é 100 a 1000 vezes mais rápido do que os atuais transistores comerciais de última geração.
“O que torna o novo dispositivo tão eficiente em termos de energia é que leva apenas alguns fótons para trocá-lo”, comentou o primeiro autor do estudo, Anton Zasedatelev.
“Na verdade, em nossos laboratórios Skoltech, conseguimos alternar com apenas um fóton em temperatura ambiente! No entanto, há um longo caminho a percorrer antes que tal demonstração do princípio seja usada em um coprocessador totalmente óptico ”, acrescentou o professor Pavlos Lagudakis, chefe do Laboratório de Fotônica Híbrida da Skoltech.
Como o fóton é a menor partícula de luz encontrada na natureza, não há muito espaço para melhorias no que diz respeito ao consumo de energia. A maioria dos transistores elétricos modernos requer dezenas de vezes mais energia para comutar, e aqueles que usam elétrons únicos para alcançar eficiência comparável são muito mais lentos.
Além das preocupações com o desempenho, os transistores eletrônicos com eficiência energética concorrentes também exigem equipamentos de resfriamento volumosos, que por sua vez consomem energia e impacta nos custos operacionais. O novo switch funciona confortavelmente em temperatura ambiente e, portanto, evita todos esses problemas.
Além de sua função básica de transistor, um switch pode atuar como um componente que conecta dispositivos, passando dados entre eles na forma de sinais ópticos. Ele também pode atuar como um amplificador, aumentando a intensidade do feixe de laser de entrada em até 23.000 vezes.
Como funciona:
O dispositivo usa dois lasers que definem seu estado para "0" ou "1" e alternam entre eles. Um feixe de laser de direção muito fraco é usado para ligar ou desligar outro feixe de laser mais brilhante. Isso requer apenas alguns fótons no feixe de direção, o que torna o dispositivo altamente eficiente.
A troca ocorre dentro de uma microcavidade - um polímero semicondutor orgânico de 35 nanômetros de espessura imprensado entre estruturas inorgânicas altamente reflexivas. A microcavidade é construída de forma a manter a luz que entra no interior pelo maior tempo possível, a fim de facilitar sua interação com o material da cavidade.
Essa conexão forma a base do novo dispositivo. Quando os fótons interagem fortemente com pares de elétron-buraco ligados - chamados de excitons - no material da cavidade, isso dá origem a entidades de curta duração chamadas de exciton polaritons, que são o tipo de quasipartículas subjacentes à troca.
Quando um laser de bomba - o mais brilhante dos dois - brilha no interruptor, ele cria milhares de quasipartículas idênticas no mesmo lugar, formando um chamado condensado de Bose-Einstein que codifica os estados lógicos "0" e "1" no dispositivo.
Para alternar entre os dois níveis do dispositivo, a equipe de pesquisa usou um pulso de laser de controle para semear o condensado pouco antes da chegada do pulso de laser da bomba. Como resultado, estimula a conversão da energia do laser da bomba, aumentando a quantidade de quasipartículas no condensado. Um grande número de partículas nele corresponde ao estado "1" do dispositivo.
Os pesquisadores usaram várias configurações para garantir o baixo consumo de energia.
Primeiro, as vibrações das moléculas de polímero semicondutor contribuíram para a comutação eficiente. O truque era combinar a lacuna de energia entre os estados de bombeamento e o estado de condensado com a energia de uma vibração molecular específica no polímero.
Em segundo lugar, a equipe conseguiu encontrar o comprimento de onda ideal para ajustar o laser e implementar um novo esquema de medição que detecta condensação em uma única passagem.
Terceiro, o laser de controle, semeando o condensado, e o circuito para sua detecção foram combinados de forma a suprimir o ruído da radiação de "fundo" do dispositivo. Essas medidas maximizaram a relação sinal-ruído do aparelho e evitaram a absorção do excesso de energia pela microcavidade, que só poderia servir para aquecê-la por vibrações moleculares.
De forma mais ampla, os pesquisadores veem seu novo switch como apenas um de um conjunto cada vez maior de componentes totalmente óticos que eles montaram nos últimos anos. Entre outras coisas, eles incluem um guia de onda de silício de baixa perda para a comutação de sinais ópticos entre transistores.
2021-09-26 01:25:55
Autor: Vitalii Babkin