Interruptor Óptico Puede Redirigir Luz Entre Chips Extremadamente Rápido

Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un interruptor óptico que es capaz de redirigir luz entre chips de computadora en 20 billonésimas de segundo. El nuevo dispositivo es más rápido que cualquier dispositivo similar, y podría integrarse en chips de silicio de bajo costo debido a sus bajos voltajes. Cuando redirige la luz, el chip sufre una pérdida de señal muy baja. 

Aplicaciones Potenciales

El nuevo chip tendrá grandes implicaciones para la computación, y ayudará a desarrollar una computadora que procese información utilizando luz en lugar de electricidad. Hay varias ventajas al utilizar fotones para transportar datos, incluyendo un viaje más rápido y una eficiencia energética. Con el uso de electricidad, los componentes de la computadora se calientan, lo que desperdicia energía y limita el rendimiento de la computadora. 

El interruptor recién desarrollado utiliza componentes ópticos, eléctricos y mecánicos de oro y silicio a escala de nanómetros. Todos están densamente empaquetados y envían luz hacia adentro y hacia afuera de un canal. Esto afecta su velocidad y dirección de viaje. 

El dispositivo fue descrito por el equipo internacional liderado por NIST en Science. 

Según el coautor Christian Haffner de NIST, ETH Zurich y la Universidad de Maryland, el interruptor tiene muchas aplicaciones potenciales. Puede ser utilizado en vehículos autónomos para redirigir haces de luz que escanean una carretera para medir la distancia a otros vehículos y peatones. El interruptor también puede ser utilizado en redes neuronales, utilizando circuitos más potentes basados en luz en lugar de electricidad. 

Una de las principales ventajas del nuevo interruptor es que utiliza muy poca energía para redirigir señales de luz, lo que podría ser extremadamente importante en la computación cuántica. Una computadora cuántica tiene una relación frágil entre pares de partículas subatómicas, que procesan datos. Debido a su naturaleza frágil, una computadora necesita operar a temperaturas y potencia extremadamente bajas para que los pares de partículas no se perturben. Dado que el interruptor recién desarrollado requiere mucha menos energía, podría ser un aspecto importante de la computación cuántica. 

Desafiando Creencias Largamente Aceptadas

Según Haffner, junto con sus colegas Vladimir Akysuk y Henri Lezec de NIST, los nuevos hallazgos contradicen muchas creencias largamente aceptadas en la comunidad científica. Muchos investigadores creen que este tipo de interruptores no serían prácticos debido a su tamaño voluminoso y operarían a altos voltajes que causan un rendimiento lento. 

El conjunto incluye un canal en forma de tubo llamado guía de onda, y un haz de luz viaja dentro de él. Hay una salida donde parte de la luz sale hacia una cavidad que está a unos pocos nanómetros de distancia. 

El interruptor también utiliza una membrana de oro delgada que está suspendida a unos pocos decenas de nanómetros sobre un disco de silicio, que tiene la cavidad grabada en él. Cuando la luz viaja alrededor, parte de ella se filtra y golpea la membrana. Esta actividad induce grupos de electrones que están en la superficie de la membrana para que oscilen. Las oscilaciones se llaman plasmones, y son una mezcla de una onda de luz y una onda de electrones. Las oscilaciones de los electrones tienen una longitud de onda más corta que permite a los investigadores manipular los plasmones a distancias de escala nanométrica. Todo esto ayuda al interruptor óptico a permanecer extremadamente compacto. 

Si los investigadores cambian la brecha entre el disco de silicio y la membrana de oro por unos pocos nanómetros, la fase de la onda de luz híbrida se retrasa o adelanta. Cuando la fase de la onda se vuelve a combinar con la luz que viaja en el canal en forma de tubo, los dos haces de luz hacen que la luz sea obstaculizada o continúe en su dirección original. Esto permite que la luz se transfiera a cualquier otro chip de computadora a voluntad. 

Los siguientes pasos del equipo consisten en acortar la distancia entre el disco de silicio y la membrana de oro para hacer que el dispositivo sea más pequeño. Esto ayudaría a reducir aún más la pérdida de señal, lo que hace que el interruptor sea aún más útil para diferentes industrias.