Comutador Óptico Pode Redirecionar Luz entre Chips Extremamente Rápido

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um comutador óptico que é capaz de redirecionar luz entre 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. Quando redireciona 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 processa informações usando luz em vez de eletricidade. Existem várias vantagens em usar fótons para transportar dados, incluindo viagem mais rápida 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 comutador recém-desenvolvido usa componentes ópticos, elétricos e mecânicos de escala nanométrica de ouro e silício. Todos eles estão densamente embalados e enviam luz para dentro e para fora de um canal. Isso afeta sua velocidade e direção de viagem.

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

De acordo com o coautor Christian Haffner, do NIST, ETH Zurich e da Universidade de Maryland, o comutador tem muitas aplicações potenciais. Ele pode ser usado em veículos autônomos para redirecionar feixes de luz que varrem a pista para medir a distância para outros veículos e pedestres. O comutador também pode ser usado em redes neurais, utilizando circuitos baseados em luz mais poderosos em vez de baseados em eletricidade.

Uma das principais vantagens do novo comutador é que ele usa muito pouca energia para redirecionar 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 a temperaturas e potências extremamente baixas para que os pares de partículas não sejam perturbados. Como o comutador recém-desenvolvido requer muito menos energia, ele pode se tornar um aspecto importante da computação quântica.

Desafiando Crenças Estabelecidas

De acordo com Haffner, juntamente com seus colegas Vladimir Akysuk e Henri Lezec, do NIST, as novas descobertas contradizem muitas crenças estabelecidas na comunidade científica. Muitos pesquisadores acreditam que esses tipos de comutadores não seriam práticos devido ao seu tamanho volumoso e operariam a altas tensões que causam desempenho lento.

A configuração inclui um canal tubular chamado de guia de onda, e um feixe de luz viaja dentro dele. Há uma saída onde parte da luz sai para uma cavidade que está a poucos nanômetros de distância.

O comutador também utiliza uma membrana de ouro fina que está suspensa a poucos dezenas de nanômetros acima de um disco de silício, que tem a cavidade gravada nele. Quando a luz viaja em torno, 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 plasmônios, e são uma mistura de onda de luz e onda de elétron. As oscilações de elétrons têm um comprimento de onda mais curto, o que permite que os pesquisadores manipulem os plasmônios sobre distâncias nanométricas. Tudo isso ajuda o comutador óptico a permanecer extremamente compacto.

Se os pesquisadores mudam a distância entre o disco de silício e a membrana de ouro por alguns nanômetros, a fase da onda de luz híbrida é atrasada ou adiantada. Quando a fase da onda se recombina com a luz que viaja no canal tubular, 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.

As próximas etapas 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 comutador ainda mais útil para diferentes indústrias.