Interruttore ottico può reindirizzare la luce tra i chip estremamente veloce

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un interruttore ottico in grado di reindirizzare la luce tra i chip dei computer in 20 miliardesimi di secondo. Il nuovo dispositivo è più veloce di qualsiasi dispositivo simile e potrebbe essere integrato in chip di silicio a basso costo a causa delle sue basse tensioni. Quando reindirizza la luce, il chip subisce una perdita di segnale molto bassa.

Applicazioni potenziali

Il nuovo chip avrà grandi implicazioni per l’elaborazione, e aiuterà a sviluppare un computer che elabora le informazioni utilizzando la luce anziché l’elettricità. Ci sono diversi vantaggi nell’utilizzare i fotoni per trasportare i dati, tra cui una velocità di viaggio più rapida e un’efficienza energetica. Con l’uso dell’elettricità, i componenti del computer si surriscaldano, il che spreca energia e limita le prestazioni del computer.
L’interruttore appena sviluppato utilizza componenti ottici, elettrici e meccanici in scala nanometrica di oro e silicio. Sono tutti densamente impacchettati e inviano la luce all’interno e all’esterno di un canale. Ciò influisce sulla sua velocità e direzione di viaggio.
Il dispositivo è stato descritto dal team internazionale guidato da NIST in Science.
Secondo il coautore Christian Haffner di NIST, ETH Zurich e l’Università del Maryland, l’interruttore ha molte applicazioni potenziali. Potrebbe essere utilizzato in veicoli senza guidatore per reindirizzare i raggi di luce che scansionano la strada per misurare la distanza dagli altri veicoli e dai pedoni. L’interruttore potrebbe anche essere utilizzato all’interno delle reti neurali, utilizzando circuiti basati sulla luce più potenti anziché quelli basati sull’elettricità.
Uno dei principali vantaggi del nuovo interruttore è che utilizza poca energia per reindirizzare i segnali di luce, il che potrebbe essere estremamente importante nel calcolo quantistico. Un computer quantistico ha una relazione fragile tra coppie di particelle subatomiche, che elabora i dati. A causa della loro natura fragile, un computer deve funzionare a temperature e potenza estremamente basse in modo che le coppie di particelle non vengano disturbate. Poiché il nuovo interruttore sviluppato richiede molta meno energia, potrebbe rivelarsi un aspetto importante del calcolo quantistico.

Sfida alle credenze consolidate

Secondo Haffner, insieme ai suoi colleghi Vladimir Akysuk e Henri Lezec di NIST, le nuove scoperte contraddicono molte credenze consolidate all’interno della comunità scientifica. Molti ricercatori ritengono che questo tipo di interruttori non sarebbe pratico a causa delle loro dimensioni ingombranti e funzionerebbero a tensioni elevate che causano prestazioni lente.
L’impostazione include un canale a forma di tubo chiamato waveguide e un raggio di luce che viaggia all’interno. C’è un’uscita in cui parte della luce esce in una cavità a pochi nanometri di distanza.
L’interruttore utilizza anche una membrana d’oro sottile sospesa a pochi decine di nanometri sopra un disco di silicio, che ha la cavità incisa. Quando la luce viaggia intorno, parte di essa fuoriesce e colpisce la membrana. Ciò induce gruppi di elettroni che si trovano sulla superficie della membrana a oscillare. Le oscillazioni sono chiamate plasmoni e sono una miscela di onda luminosa e onda elettronica. Gli elettroni oscillanti hanno una lunghezza d’onda più corta che consente ai ricercatori di manipolare i plasmoni su distanze nanometriche. Tutto ciò aiuta l’interruttore ottico a rimanere estremamente compatto.
Se i ricercatori modificano il gap tra il disco di silicio e il membro d’oro di pochi nanometri, la fase dell’onda di luce ibrida è ritardata o anticipata. Quando la fase dell’onda si ricombina con la luce che viaggia nel canale a forma di tubo, i due raggi causano la luce di essere ostruita o di continuare nella sua direzione originale. Ciò consente di trasferire la luce a qualsiasi altro chip del computer a piacimento.
I prossimi passi del team consistono nel ridurre la distanza tra il disco di silicio e la membrana d’oro per rendere il dispositivo più piccolo. Ciò aiuterebbe a ridurre ulteriormente la perdita di segnale, rendendo l’interruttore ancora più utile per diverse industrie.