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Conmutación óptica más rápida
Las computadoras se vuelven más rápidas y las señales de comunicación más rápidas, pero la interfaz entre ellas, donde los electrones en los circuitos de la computadora se convierten en fotones para el cable de fibra óptica, sigue siendo torpe y lenta. Nuevos transistores que se basan en partículas virtuales llamadas excitones podría cambiar eso. Un excitón es un estado de excitación eléctrica que puede pasar de un átomo a otro, al igual que lo hace una corriente eléctrica. Cuando un excitón pierde energía, emite un fotón, por lo que los excitones son buenos para traducir entre señales eléctricas y ópticas.
Circuito excitante: Un nuevo chip diseñado por investigadores del sistema de la Universidad de California convierte las señales ópticas en corrientes de partículas virtuales llamadas excitones, que responden a campos eléctricos pero son fáciles de convertir en fotones. Aquí, tres corrientes de excitones emanan del centro del chip.
El problema en los sistemas existentes es la barrera en la interconexión entre la señal óptica y la señal eléctrica, dice Alex High , estudiante de posgrado de la Universidad de California, San Diego (UCSD), que realizó la investigación junto con colegas allí y en la Universidad de California, Santa Bárbara. Esto elimina ese paso adicional. Debido a que los excitones son portadores de luz, puede manipularlos, realizar procesos lógicos en la luz en forma de excitones y luego liberar esa luz en otro lugar.
Los investigadores han creado pequeños circuitos integrados superenfriados hechos de arseniuro de galio que pueden enviar señales de excitón en diferentes direcciones o fusionar dos señales en una, trabajos necesarios para manejar los rudimentos de la lógica de la computadora tal como lo hacen los circuitos electrónicos. La velocidad de cálculo por sí sola puede no ser mucho más rápida que la de un chip convencional, dice Leonid Butov , quien dirigió la investigación. Donde podemos ganar velocidad es en la transformación de los fotones. Butov ha demostrado hasta ahora una velocidad de conmutación de 200 picosegundos, que incluye tanto el tiempo de cálculo como la transformación de los fotones en excitones. La velocidad de la conversión y el cambio convencionales varía con el material, pero es aproximadamente un orden de magnitud más lento que el cambio de Butov. (También hay en el mercado un interruptor totalmente óptico que no tiene que convertir señales ópticas en eléctricas. Tiene una velocidad de conmutación de 50 picosegundos, pero debido a su gran tamaño, solo puede realizar operaciones rudimentarias). Y 200 picosegundos ni siquiera es la respuesta final todavía, dice Butov. Es posible que podamos hacerlo considerablemente más rápido.
Una interfaz óptico-electrónica más fluida tiene amplias implicaciones. La fibra óptica es la forma más eficiente de transportar grandes cantidades de datos a la velocidad de la luz y se utiliza en una gran variedad de aplicaciones, desde telecomunicaciones hasta sensores de temperatura y simplemente transportar información de un chip de computadora a otro. Pero en algún momento, las señales ópticas casi siempre deben convertirse en señales eléctricas, ya sea para que su PC de escritorio pueda entenderlas o para que puedan amplificarse durante un viaje largo. No solo esa conversión es lenta, sino que los convertidores tradicionales son caros, relativamente grandes y consumen mucha energía.
Al controlar eléctricamente los excitones, los investigadores de California pueden producir los rudimentos de una puerta lógica digital. Aquí, el mismo chip hace que una corriente de excitones gire a la izquierda, a la derecha o se bifurque en dos vías simultáneamente.
El nuevo chip integrado, sin embargo, capta la luz tal cual, opera en ella según sea necesario y escupe luz por el otro lado. Siempre que un fotón golpea el chip, fuerza a un electrón cargado negativamente a salir de un átomo semiconductor, dejando un agujero cargado positivamente. Sin intervención, el electrón y el agujero simplemente se recombinan. Pero el equipo de UCSD utiliza los llamados pozos cuánticos para mantener el electrón y el agujero separados pero lo suficientemente cerca como para permanecer unidos en una sola unidad. Esta partícula cuidadosamente unida se llama excitón indirecto y tiene la extraña propiedad de que se moverá cuando se coloque en un campo eléctrico aunque tenga una carga neutra. Empujados por campos eléctricos, los excitones se escabullen a través del chip a lo largo de una ruta prescrita hasta que se les permite recombinarse. Luego, liberan su energía en un destello de luz que envía la señal de comunicación a su próximo destino.
Los chips prototipo deben enfriarse a temperaturas inferiores a -234 ºC. Pero los investigadores confían en que podrán recrear sus delicados pozos cuánticos en materiales semiconductores que permitan que se formen excitones a temperatura ambiente.
Construir el chip de manera que los campos eléctricos no destrozaran los excitones fue uno de los principales obstáculos para los científicos. Si este campo se vuelve demasiado fuerte, puede romper el electrón y el agujero. Diseñar las puertas que definen los circuitos de excitones requirió nuevas ideas de diseño y un cuidado extremo en su implementación, dice Leonid Levitov , científico del MIT. Creo que este es un logro fundamental en la física de excitones que también puede tener consecuencias muy prácticas y dar lugar a aplicaciones.
Butov y sus colegas están de acuerdo. Sus coloridas imágenes de sus chips muestran corrientes de excitones que pueden verse forzados a virar hacia la izquierda o hacia la derecha, que se pueden dividir para ir por caminos tanto a la izquierda como a la derecha o, en sentido inverso, que pueden viajar a lo largo de dos caminos y combinarse en una sola corriente. Si bien al equipo le gustaría demostrar trucos adicionales, como la amplificación de una señal, las fotos muestran que sus circuitos pueden diseñarse para realizar cualquier operación lógica que pueda realizar un chip electrónico tradicional. Y, dicen los investigadores, su chip lo hará mejor.