Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colegas han desarrollado un interruptor óptico que dirige la luz de un chip de computadora a otro en solo 20 mil millonésimas de segundo, más rápido que cualquier otro dispositivo similar.es el primero en operar con voltajes lo suficientemente bajos como para integrarse en chips de silicio de bajo costo y redirige la luz con una pérdida de señal muy baja.
El rendimiento récord del interruptor es un nuevo paso importante hacia la construcción de una computadora que usa luz en lugar de electricidad para procesar información. Confiar en partículas de luz - fotones - para transportar datos dentro de una computadora ofrece varias ventajas sobre las comunicaciones electrónicas.Los fotones viajan más rápido que los electrones y no desperdician energía calentando los componentes de la computadora. Controlar ese calor residual es una barrera importante para mejorar el rendimiento de la computadora. Las señales de luz se han utilizado durante décadas para transmitir información a grandes distancias utilizando fibras ópticas, perolas fibras ocupan demasiado espacio para ser utilizadas para transportar datos a través de un chip de computadora.
El nuevo interruptor combina componentes ópticos, eléctricos y mecánicos de oro y silicio a escala nanométrica, todos densamente empaquetados, para canalizar la luz dentro y fuera de una pista de carreras en miniatura, alterar su velocidad y cambiar su dirección de desplazamiento. Un nanómetro es unbillonésima parte de un metro, o alrededor de cienmilésimas del ancho de un cabello humano. El equipo internacional liderado por el NIST describe el dispositivo en línea hoy en día ciencia .
El dispositivo tiene innumerables aplicaciones, señala el coautor del estudio Christian Haffner de NIST, ETH Zurich y la Universidad de Maryland. En automóviles sin conductor, el interruptor podría redirigir rápidamente un solo haz de luz que debe escanear continuamente todas las partes de la carretera para medirla distancia a otros automóviles y peatones. El dispositivo también podría facilitar el uso de circuitos basados en luz más potentes en lugar de los basados en electricidad en redes neuronales. Estos son sistemas de inteligencia artificial que simulan cómo las neuronas en el cerebro humano toman decisiones sobre talestareas complejas como reconocimiento de patrones y gestión de riesgos.
La nueva tecnología también utiliza muy poca energía para redirigir las señales de luz. Esta característica puede ayudar a hacer realidad el sueño de la computación cuántica. Una computadora cuántica procesa los datos almacenados en las interrelaciones sutiles entre pares de partículas subatómicas especialmente preparados. Sin embargo, estas relaciones son extremadamentefrágil, que requiere que una computadora funcione a temperaturas ultrabajas y baja potencia para que los pares de partículas se alteren lo menos posible. Debido a que el nuevo interruptor óptico requiere poca energía, a diferencia de los interruptores ópticos anteriores, podría convertirse en una parte integral de un cuantocomputadora.
Haffner y sus colegas, que incluyen a Vladimir Aksyuk y Henri Lezec de NIST, dicen que sus hallazgos pueden sorprender a muchos en la comunidad científica porque los resultados contradicen creencias arraigadas. Algunos investigadores han pensado que la optoelectromecánicalos interruptores no serían prácticos porque serían voluminosos, funcionarían muy lentamente y requerirían voltajes demasiado altos para que los componentes de un chip de computadora lo toleren.
El interruptor explota la naturaleza ondulatoria de la luz. Cuando dos ondas de luz idénticas se encuentran, pueden superponerse de modo que la cresta de una onda se alinee o refuerce la cresta de la otra, creando un patrón brillante conocido como interferencia constructiva. Las dos ondas puedentambién estar exactamente fuera de lugar, de modo que el valle de una ola cancele la cresta de la otra, lo que resulta en un patrón oscuro: interferencia destructiva.
En la configuración del equipo, un haz de luz está confinado para viajar dentro de una carretera en miniatura, un canal en forma de tubo conocido como guía de onda. Esta carretera lineal está diseñada para que tenga una rampa de salida; parte de la luz puedesalir a una cavidad en forma de pista de carreras, a unos pocos nanómetros de distancia, grabada en un disco de silicio. Si la luz tiene la longitud de onda correcta, puede girar alrededor de la pista de carreras muchas veces antes de salir de la cavidad de silicio.
El interruptor tiene otro componente crucial: una delgada membrana dorada suspendida a unas pocas decenas de nanómetros sobre el disco de silicio. Parte de la luz que viaja en la pista de silicio se escapa y golpea la membrana, induciendo grupos de electrones en la superficie de la membranaoscilar. Estas oscilaciones, conocidas como plasmones, son una especie de híbrido entre una onda de luz y una onda de electrones: los electrones oscilantes se asemejan a la onda de luz entrante en que vibran a la misma frecuencia, pero tienen una longitud de onda mucho más corta.La longitud de onda más corta permite a los investigadores manipular los plasmones a distancias de nanoescala, mucho más cortas que la longitud de la onda de luz original, antes de convertir las oscilaciones nuevamente en luz. Esto, a su vez, permite que el interruptor óptico permanezca extremadamente compacto.
Al cambiar el ancho del espacio entre el disco de silicio y la membrana de oro en solo unos pocos nanómetros, los investigadores podrían retrasar o avanzar la fase de la onda de luz híbrida, el momento en que la onda alcanza una cresta o valleIncluso variaciones minúsculas en el ancho de la brecha, que el equipo logró al doblar electrostáticamente la membrana de oro, alteró dramáticamente la fase.
Dependiendo de cuánto haya avanzado o retrasado el equipo la fase de la ola, cuando se recombinó con la luz que aún viajaba en la carretera en forma de tubo, los dos haces interfirieron de manera constructiva o destructiva ver animación. Si los haces de luz coincidenhasta interferir constructivamente, la luz continuará en su dirección original, viajando por el tubo. Pero si los rayos de luz interfieren destructivamente, cancelándose entre sí, esa vía está bloqueada. En cambio, la luz debe moverse en otra dirección, determinada por elorientación de otras guías de ondas, o rutas, colocadas cerca de la vía bloqueada. De esta manera, la luz se puede cambiar a voluntad a cualquiera de los cientos de otros chips de computadora.
Los científicos alguna vez pensaron que un sistema plasmónico atenuaría en gran medida las señales de luz porque los fotones penetrarían en el interior de la membrana de oro, donde los electrones absorberían gran parte de la energía de la luz.
Pero los investigadores han demostrado que esa suposición es errónea. La compacidad del dispositivo y un diseño que garantizaba que pocos fotones penetraran en la membrana resultó en una pérdida de solo el 2.5% de la señal de luz, en comparación con el 60% con los interruptores anteriores.Eso pone el interruptor, aunque todavía es un prototipo, al alcance de las aplicaciones comerciales.
El equipo ahora está trabajando para hacer que el dispositivo sea aún más pequeño acortando la distancia entre el disco de silicio y la membrana de oro. Esto reduciría aún más la pérdida de señal, haciendo que la tecnología sea aún más atractiva para la industria.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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