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Chip metatronico, la luce per trasformare la CPU in una GPU

Realizzato il primo circuito metatronico, che rimpiazza l’elettricità con la luce. Pensate, ad esempio, a una CPU che può diventare GPU modificando il segnale in ingresso. È proprio questo che un giorno potrebbe essere possibile grazie ai circuiti metatronici. 

A renderlo realtà i ricercatori dell’Università della Pennsylvania. “Osservando il successo dell’elettronica nell’ultimo secolo, mi sono sempre chiesto perché dovremmo essere limitati alla corrente elettrica per realizzare dei circuiti”, ha dichiarato il professor Nader Engheta. “Se passiamo a lunghezze d’onda più corte nello spettro elettromagnetico – come la luce – potremmo fare le cose in modo più piccolo, veloce ed efficiente“.

Così nel 2005 Engheta e i propri studenti hanno pubblicato un documento teorico descrivendo in che modo dovevano funzionare gli elementi di un circuito ottico. Oggi invece hanno messo a punto gli elementi di un circuito ottico “concentrato”, aggiungendo una pietra miliare in un settore scientifico chiamato “metatronica”.

Figura A. Quando il piano del campo elettrico è in linea con i nanorod il circuito è collegato in parallelo.

Il meta della parola metatronica si riferisce ai metamateriali, un campo relativamente nuovo di ricerca, mentre in elettronica il termine “concentrato” è riferito a elementi che possono essere trattati come una scatola nera, qualcosa che trasforma un dato di inpunt in un output perfettamente prevedibile senza che l’ingegnere debba preoccuparsi di cosa accada esattamente all’interno dell’elemento in ogni momento in cui progetta un circuito. 

La nanotecnologia ha permesso di creare elementi di circuiti ottici concentrati, consentendo di realizzare strutture che hanno dimensioni misurabili in nanometri. In questo caso la configurazione è un insieme di nanorod (cioè dei piccolissimi tubi) rettangolari, disposti a pettine, realizzati in nitrato di silicio. Le sezioni di nanorod e gap formano un modello che replica le funzioni di resistori, induttori e condensatori, tre degli elementi base di un circuito, ma con lunghezze d’onda ottiche.

“Se abbiamo una versione ottica di quegli elementi concentrati, possiamo effettivamente fare progetti simili a quelli che realizziamo in elettronica, ma servendoci della luce”, ha dichiarato Engheta. Nell’esperimento i ricercatori hanno illuminato i nanorod con un segnale ottico, un’onda di luce nella gamma del medio-infrarosso. Poi hanno usato la spettroscopia per misurare le onde che passavano attraverso il pettine. Ripetendo l’esperimento usando i nanorod con nove differenti combinazioni di lunghezza e altezza, i ricercatori hanno mostrato che corrente e tensione ottica vengono alterate da resistori ottici, induttori e condensatori con parametri che corrispondono alle differenti dimensioni di questi elementi.

Figura B. Quando il piano del campo elettrico è attraversato sia dai nanorod che dai gap, il circuito è collegato in serie.

Oltre a modificare le dimensioni e il materiale di cui sono fatti i nanorod, la funzione di questi circuiti ottici può essere alterata dall’orientamento della luce, permettendo ai circuiti metatronici di adottare configurazioni impossibili in elettronica. Questo perché un’onda di luce ha polarizzazioni; il campo elettronico che oscilla nell’onda ha un orientamento definibile nello spazio. Nella metatronica, questo è il campo elettrico che interagisce ed è modificato da elementi, quindi mutare l’orientamento del campo è un po’ come ricablare un circuito elettronico.

Quando il piano del campo è in linea con i nanorod, come nella figura A, il circuito è cablato in parallelo e la corrente passa attraverso gli elementi simultaneamente. Quando il piano del campo elettrico attraversa i nanorod e i gap, come in figura B, il circuito è collegato in serie e la corrente passa attraverso gli elementi sequenziali. “L’orientamento ci dà due differenti circuiti”, ha dichiarato Engheta. “Potremmo persino avere un’onda che colpisce un nanorod obliquamente per restituire qualcosa che non abbiamo con la normale elettronica: un circuito che non è né in serie né in parallelo, ma un mix dei due“. “Possiamo fare un numero infinito di circuiti, a seconda di come si organizzano i diversi elementi del circuito”, ha concluso Engheta.