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Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Skoltech e pela IBM criou um switch óptico extremamente eficiente em termos energéticos que poderia substituir os transistores eletrônicos em uma nova geração de computadores que manipulam fótons em vez de elétrons. Além da economia direta de energia, o switch não requer refrigeração e é muito rápido: com 1 trilhão de operações por segundo, é entre 100 e 1.000 vezes mais rápido que os transistores comerciais de alto nível atuais. O estudo foi publicado em 22 de setembro de 2021, em Natureza.
“O que torna o novo dispositivo tão eficiente em termos energéticos é que são necessários apenas alguns fótons para mudar”, comentou o primeiro autor do estudo, Dr. Anton Zasedatelev. “Na verdade, em nossos laboratórios Skoltech conseguimos mudar com apenas um fóton à temperatura ambiente! Dito isto, há um longo caminho a percorrer antes que tal demonstração de prova de princípio seja utilizada em um coprocessador totalmente óptico”, acrescentou o professor Pavlos Lagoudakis, que dirige os Laboratórios de Fotônica Híbrida da Skoltech.
Como um fóton é a menor partícula de luz que existe na natureza, não há muito espaço para melhorias além disso no que diz respeito ao consumo de energia. A maioria dos transistores elétricos modernos consome dezenas de vezes mais energia para comutar, e aqueles que usam elétrons únicos para atingir eficiências comparáveis são muito mais lentos.
Além dos problemas de desempenho, os transistores eletrônicos concorrentes que economizam energia também tendem a exigir equipamentos de resfriamento volumosos, que por sua vez consomem energia e influenciam os custos operacionais. O novo switch funciona convenientemente à temperatura ambiente e, portanto, contorna todos esses problemas.
Além de sua função primária semelhante a um transistor, o switch poderia atuar como um componente que conecta dispositivos, transportando dados entre eles na forma de sinais ópticos. Ele também pode servir como amplificador, aumentando a intensidade de um feixe de laser recebido em um fator de até 23.000.
Como funciona
O dispositivo depende de dois lasers para definir seu estado como “0” ou “1” e alternar entre eles. Um feixe de laser de controle muito fraco é usado para ligar ou desligar outro feixe de laser mais brilhante. São necessários apenas alguns fótons no feixe de controle, daí a alta eficiência do dispositivo.
A comutação ocorre dentro de uma microcavidade – um polímero semicondutor orgânico fino de 35 nanômetros imprensado entre estruturas inorgânicas altamente reflexivas. A microcavidade é construída de forma a manter a luz que entra presa em seu interior pelo maior tempo possível para favorecer seu acoplamento com o material da cavidade.
Este acoplamento luz-matéria constitui a base do novo dispositivo. Quando os fótons se acoplam fortemente a pares elétron-buraco ligados – também conhecidos como excitons – no material da cavidade, isso dá origem a entidades de vida curta chamadas exciton-polaritons, que são uma espécie de quase-partículas no centro da operação da chave.
Quando o laser da bomba – o mais brilhante dos dois – brilha no interruptor, isso cria milhares de quasipartículas idênticas no mesmo local, formando o chamado condensado de Bose-Einstein, que codifica os estados lógicos “0” e “1” de o dispositivo.
Para alternar entre os dois níveis do dispositivo, a equipe usou um pulso de laser de controle, semeando o condensado pouco antes da chegada do pulso de laser da bomba. Como resultado, estimula a conversão de energia do laser da bomba, aumentando a quantidade de quasipartículas no condensado. A grande quantidade de partículas ali contida corresponde ao estado “1” do dispositivo.
Os pesquisadores usaram vários ajustes para garantir baixo consumo de energia: Primeiro, a comutação eficiente foi auxiliada pelas vibrações das moléculas do polímero semicondutor. O truque era combinar a lacuna de energia entre os estados bombeados e o estado condensado com a energia de uma vibração molecular específica no polímero. Em segundo lugar, a equipe conseguiu encontrar o comprimento de onda ideal para sintonizar seu laser e implementou um novo esquema de medição que permite a detecção de condensado em um único disparo. Terceiro, o laser de controle que semeou o condensado e seu esquema de detecção foram combinados de forma a suprimir o ruído da emissão de “fundo” do dispositivo. Essas medidas maximizaram o nível de sinal-ruído do dispositivo e evitaram que um excesso de energia fosse absorvido pela microcavidade, o que serviria apenas para aquecê-la por meio de vibrações moleculares.
“Ainda temos trabalho pela frente para reduzir o consumo geral de energia do nosso dispositivo, que atualmente é dominado pela bomba laser que mantém o interruptor ligado. Um caminho para esse objetivo poderia ser materiais supercristalinos de perovskita como aqueles que estamos explorando com colaboradores. Eles provaram ser excelentes candidatos devido ao seu forte acoplamento luz-matéria, que por sua vez leva a uma poderosa resposta quântica coletiva na forma de superfluorescência”, comenta a equipe.
No esquema mais amplo das coisas, os pesquisadores veem seu novo switch como apenas mais um no crescente kit de ferramentas de componentes totalmente ópticos que vêm montando nos últimos anos. Entre outras coisas, inclui um guia de ondas de silício de baixa perda para transportar os sinais ópticos entre os transistores. O desenvolvimento destes componentes nos aproxima cada vez mais dos computadores ópticos que manipulariam fótons em vez de elétrons, resultando em desempenho muito superior e menor consumo de energia. A pesquisa na Skoltech foi apoiada pela Russian Science Foundation (RSF).
Referência: “Não linearidade de fóton único à temperatura ambiente” por Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Denis Sannikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Vladislav Yu. Shishkov, Evgeny S. Andrianov, Yurii E. Lozovik, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt e Pavlos G. Lagoudakis, 22 de setembro de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-021-03866-9