Interruptor óptico pode redirecionar a luz entre os chips de forma extremamente rápida

Pesquisadores da Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um switch óptico capaz de redirecionar a luz entre os chips de computador em 20 bilionésimos de segundo. O novo dispositivo é mais rápido do que qualquer dispositivo semelhante e pode ser integrado a chips de silício de baixo custo devido às suas baixas tensões. Ao redirecionar a luz, o chip sofre uma perda de sinal muito baixa. 

Aplicações potenciais

O novo chip terá grandes implicações para a computação e ajudará a desenvolver um computador que processe informações usando luz em vez de eletricidade. Existem várias vantagens em usar fótons para transportar dados, incluindo viagens mais rápidas e eficiência energética. Com o uso de eletricidade, os componentes do computador são aquecidos, o que desperdiça energia e limita o desempenho do computador. 

O switch recém-desenvolvido usa ouro em escala nanométrica e componentes ópticos, elétricos e mecânicos de silício. Todos eles são densamente compactados e enviam luz para dentro e para fora de um canal. Isso afeta sua velocidade e direção de deslocamento. 

O dispositivo foi descrito pela equipe internacional liderada pelo NIST em Ciência. 

De acordo com o co-autor Christian Haffner do NIST, ETH Zurich e da Universidade de Maryland, o switch tem muitas aplicações potenciais. Ele pode ser usado em veículos sem motorista para redirecionar os feixes de luz que examinam uma estrada para medir a distância de outros veículos e pedestres. O interruptor também pode ser usado em redes neurais, utilizando circuitos baseados em luz mais poderosos do que os baseados em eletricidade. 

Um dos principais benefícios do novo switch é que ele usa muito pouca energia para redirecionar os sinais de luz, o que pode ser extremamente importante na computação quântica. Um computador quântico tem uma relação frágil entre pares de partículas subatômicas, que processam dados. Devido à sua natureza frágil, um computador precisa operar em temperaturas extremamente baixas e baixo consumo de energia para que os pares de partículas não sejam perturbados. Como o switch recém-desenvolvido requer muito menos energia, pode ser um aspecto importante da computação quântica. 

Desafiando crenças antigas

De acordo com Haffner, junto com seus colegas Vladimir Akysuk e Henri Lezec do NIST, as novas descobertas contradizem muitas crenças antigas da comunidade científica. Muitos pesquisadores acreditam que esses tipos de interruptores não seriam práticos devido ao seu tamanho volumoso e operariam em altas tensões que causam baixo desempenho. 

A configuração inclui um canal em forma de tubo chamado guia de onda, e um feixe de luz viaja dentro dele. Há uma rampa de saída onde parte da luz sai para uma cavidade que fica a alguns nanômetros de distância. 

O interruptor também utiliza uma fina membrana de ouro suspensa algumas dezenas de nanômetros acima de um disco de silício, que tem a cavidade gravada nele. Quando a luz viaja, parte dela vaza e atinge a membrana. Essa atividade induz grupos de elétrons que estão na superfície da membrana a oscilar. As oscilações são chamadas de plasmons, e são uma mistura entre uma onda de luz e uma onda de elétrons. Os elétrons oscilantes têm um comprimento de onda mais curto que permite aos pesquisadores manipular os plasmons em distâncias em nanoescala. Tudo isso ajuda o comutador óptico a permanecer extremamente compacto. 

Se os pesquisadores alterarem a lacuna entre o disco de silício e o membro de ouro em alguns nanômetros, a fase da onda de luz híbrida é atrasada ou avançada. Quando a fase da onda se recombina com a luz que viaja no canal em forma de tubo, os dois feixes fazem com que a luz seja obstruída ou continue em sua direção original. Isso permite que a luz seja transferida para qualquer outro chip de computador à vontade. 

Os próximos passos da equipe envolvem encurtar a distância entre o disco de silício e a membrana de ouro para tornar o dispositivo menor. Isso ajudaria a reduzir ainda mais a perda de sinal, tornando o switch ainda mais útil para diferentes setores.