Un mic comutator ar putea redirecționa lumina între cipurile computerului în doar nanosecunde

Comutatoarele microscopice care direcționează semnalele luminoase între cipurile computerelor, cum ar fi micile conductoare de trafic, ar putea ajuta la realizarea unor componente electronice mai rapide și mai eficiente.

Undele de lumină pot transporta informații mai ușor decât curentul electric utilizat în circuitele tradiționale, deoarece particulele de lumină numite fotoni trec prin materiale fără a interacționa cu mediul înconjurător la fel de mult ca electronii. Dar până acum, comutatoarele mecanice concepute pentru a manipula astfel de unde luminoase purtătoare de date au rulat relativ lent și au necesitat tensiuni electrice nepractic de mari pentru a funcționa.

Acum, întrerupătoarele nou proiectate redirecționează lumina în mai puțin de o milioneme de secundă folosind aproximativ un volt de electricitate – comparabil cu tensiunile folosite în electronicele obișnuite, raportează cercetătorii în 15 noiembrie. Ştiinţă. Electronicele echipate cu noul design de comutator pentru a procesa datele cu lumină, mai degrabă decât cu electricitate, ar putea ajuta mașinile care se conduc singure să scaneze împrejurimile pentru trafic și pietoni sau să citească informații de pe computerele cuantice.

Fiecare comutator cuprinde un disc de aur ultrasubțire suspendat deasupra unei plăci de silicon. Aplicarea unei mici tensiuni la întrerupător forțează discul de aur să se îndoaie în sus ca un castron sau să se încline în jos ca o umbrelă. Orientarea discului de aur la un moment dat controlează dacă lumina care curge printr-o structură similară unui fir din apropiere numită ghid de undă continuă neîntreruptă sau este redirecționată.

Pe măsură ce lumina din ghidul de undă trece pe lângă comutator, o parte de lumină se scurge într-un spațiu în formă de circuit de curse între discul de aur și placa de siliciu, se învârte în jurul pistei și se recombină cu lumina din ghidul de undă. Dacă placa de aur este curbată în sus, vârfurile și văile undelor luminoase care ies de pe pistă se aliniază cu cele din ghidul de undă – întărind lumina de-a lungul căii sale originale.

Dar dacă placa de aur este îndoită în jos spre placa de siliciu, interacțiunile cu electronii din aur întârzie lumina pe măsură ce se deplasează în jurul pistei de curse. Aceasta face ca văile undelor de lumină care ies de pe pistă să coincidă cu vârfurile undelor care curg prin ghidul de undă, anulându-se reciproc și blocând fluxul luminii de-a lungul cursului său original.

Placa de aur
Când placa de aur a comutatorului este curbată în sus, lumina care curge de-a lungul unui canal conducător al luminii numit ghid de undă (care rulează sus din dreapta spre jos din stânga) continuă neîntreruptă (arată). Dar atunci când o tensiune electrică mică forțează placa de aur să se îndoaie în jos, comutatorul oprește lumina care călătorește pe ghidajul de undă în urmele sale.S. Kelley/NIST

Un al doilea ghid de undă plasat pe cealaltă parte a plăcii de siliciu poate oferi o rampă de ieșire pentru ca puțină lumină să scape de pista de curse și să înceapă pe o nouă cale. Multe comutatoare interconectate care coregrafează călătoria diferitelor semnale luminoase între diferite componente electronice ar putea ajuta un computer să efectueze operații sofisticate.

Noile comutatoare redirecționează undele luminoase în zeci de nanosecunde, în comparație cu timpii de comutare lungi de microsecunde ai dispozitivelor similare. Astfel de viteze mari sunt posibile deoarece placa de aur este mai ușoară și mai ușor de manipulat decât componentele voluminoase din alte întrerupătoare, spune coautorul studiului Christian Haffner, cercetător în nanofotonică la ETH Zurich și la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Gaithersburg, Maryland. E ca și cum [driving] o mașină sport în comparație cu un camion.”

Leonardo Midolo, un fizician de la Universitatea din Copenhaga care nu este implicat în lucrare, este impresionat de noul design, care necesită doar 1,4 volți de electricitate pentru a porni un comutator de 10 micrometri pătrați. Alte modele ar necesita aproximativ 10 volți. „Arată potențialul acestei clase de dispozitive” de a intra în uz în lumea reală, spune el.

Dar cercetătorii ar trebui să încerce să perfecționeze prototipul actual pentru a păstra mai bine semnalele luminoase atunci când comută undele la un nou ghid de undă, spune Midolo. În prezent, un fascicul de lumină păstrează doar aproximativ 60% din puterea sa inițială atunci când face o ocolire. Dacă fiecare comutator elimină aproape 40% din unda luminoasă inițială, este nevoie de doar câteva comutatoare pentru ca informațiile să fie aproape complet ilizibile, spune el. „Acesta este cu siguranță ceva care ar putea fi îmbunătățit.”