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Commutazione ottica più veloce
I computer diventano più veloci e i segnali di comunicazione diventano più veloci, ma l'interfaccia tra di loro, dove gli elettroni nei circuiti del computer vengono convertiti in fotoni per il cavo in fibra ottica, rimane goffa e lenta. Nuovi transistor che si basano su particelle virtuali chiamate eccitoni potrebbe cambiarlo. Un eccitone è uno stato di eccitazione elettrica che può passare da un atomo all'altro, proprio come fa una corrente elettrica. Quando un eccitone perde energia, emette un fotone, quindi gli eccitoni sono bravi a tradurre tra segnali elettrici e ottici.
Circuito eccitabile: Un nuovo chip progettato dai ricercatori del sistema dell'Università della California converte i segnali ottici in flussi di particelle virtuali chiamate eccitoni, che rispondono ai campi elettrici ma sono facili da convertire in fotoni. Qui, tre flussi di eccitoni emanano dal centro del chip.
Il problema nei sistemi esistenti è la barriera all'interconnessione tra il segnale ottico e il segnale elettrico, dice Alex High , uno studente laureato presso l'Università della California, San Diego (UCSD), che ha condotto la ricerca insieme ai colleghi lì e presso l'Università della California, Santa Barbara. Questo elimina quel passaggio in più. Poiché gli eccitoni sono portatori di luce, puoi manipolarli, eseguire processi logici sulla luce sotto forma di eccitoni e quindi rilasciare quella luce in un altro luogo.
I ricercatori hanno creato minuscoli circuiti integrati super raffreddati fatti di arseniuro di gallio che possono inviare segnali di eccitoni in direzioni diverse o unire due segnali in un unico lavoro necessario per gestire i rudimenti della logica del computer proprio come fanno i circuiti elettronici. La velocità di calcolo di per sé potrebbe non essere molto più veloce di quella di un chip convenzionale, afferma Leonid Butov , che ha guidato la ricerca. Dove possiamo guadagnare velocità è nella trasformazione dei fotoni. Butov ha finora dimostrato una velocità di commutazione di 200 picosecondi, che include sia il tempo di calcolo che la trasformazione dei fotoni in eccitoni. La velocità della conversione e della commutazione convenzionali varia con il materiale, ma è circa un ordine di grandezza più lenta dell'interruttore di Butov. (In commercio c'è anche un interruttore completamente ottico che non deve convertire i segnali ottici in elettrici. Ha una velocità di commutazione di 50 picosecondi, ma a causa delle sue grandi dimensioni, può eseguire solo operazioni rudimentali.) E 200 picosecondi non è ancora nemmeno la risposta definitiva, dice Butov. Potremmo essere in grado di renderlo notevolmente più veloce.
Un'interfaccia ottico-elettronica più fluida ha ampie implicazioni. La fibra ottica è il modo più efficiente per trasportare grandi quantità di dati alla velocità della luce ed è utilizzata in una miriade di applicazioni, dalle telecomunicazioni al rilevamento della temperatura, al semplice trasferimento di informazioni da un chip all'altro. Ma a un certo punto, i segnali ottici devono quasi sempre essere convertiti in segnali elettrici, sia che il tuo PC desktop possa capirli o che possano essere amplificati durante un lungo viaggio. Non solo la conversione è lenta, ma i convertitori tradizionali sono costosi, relativamente grandi e affamati di energia.
Controllando elettricamente gli eccitoni, i ricercatori della California possono produrre i rudimenti di una porta logica digitale. Qui, lo stesso chip fa sì che un flusso di eccitoni giri a sinistra, a destra o si dirama in due percorsi contemporaneamente.
Il nuovo chip integrato, tuttavia, assorbe la luce così com'è, opera su di essa se necessario e sputa luce dall'altra parte. Ogni volta che un fotone colpisce il chip, espelle un elettrone caricato negativamente da un atomo di semiconduttore, lasciando dietro di sé un foro caricato positivamente. Senza intervento, l'elettrone e la lacuna si ricombinano semplicemente. Ma il team dell'UCSD utilizza i cosiddetti pozzi quantici per mantenere l'elettrone e la lacuna separati ma abbastanza vicini da rimanere legati in una singola unità. Questa particella accuratamente legata è chiamata eccitone indiretto e ha la strana proprietà di muoversi quando viene posta in un campo elettrico anche se è caricata in modo neutro. Spinti da campi elettrici, gli eccitoni corrono attraverso il chip lungo un percorso prescritto finché non si ricombinano. Quindi rilasciano la loro energia in un lampo di luce che invia il segnale di comunicazione alla sua prossima destinazione.
I chip prototipo devono essere raffreddati a temperature inferiori a -234 ºC. Ma i ricercatori sono fiduciosi che saranno in grado di ricreare i loro delicati pozzi quantici in materiali semiconduttori che consentono la formazione di eccitoni a temperatura ambiente.
Costruire il chip in modo che i campi elettrici non distruggano gli eccitoni è stato uno dei principali ostacoli per gli scienziati. Se questo campo diventa troppo forte, può lacerare l'elettrone e la lacuna. La progettazione delle porte che definiscono i circuiti di eccitazione ha richiesto nuove idee progettuali e un'estrema cura nella loro implementazione, afferma Leonid Levitov , uno scienziato del MIT. Credo che questo sia un risultato fondamentale nella fisica degli eccitoni che può anche avere conseguenze molto pratiche e portare ad applicazioni.
Butov e i suoi colleghi sono d'accordo. Le loro immagini colorate dei loro chip mostrano flussi di eccitoni che possono essere forzati a virare a sinistra o a destra, che possono essere divisi per scendere sia a sinistra che a destra, o, al contrario, che possono viaggiare lungo due percorsi e combinare in un flusso. Mentre il team vorrebbe dimostrare ulteriori trucchi, come l'amplificazione di un segnale, le foto mostrano che i loro circuiti possono essere progettati per eseguire qualsiasi operazione logica che un chip elettronico tradizionale può fare. E, dicono i ricercatori, il loro chip lo farà meglio.