Un team di ricerca internazionale guidato da Skoltech e IBM ha creato uno switch ottico estremamente efficiente dal punto di vista energetico che potrebbe sostituire i transistor elettronici in una nuova generazione di computer che manipolano i fotoni anziché gli elettroni. Oltre al risparmio energetico diretto, lo switch non richiede raffreddamento ed è davvero veloce: con 1000 miliardi di operazioni al secondo, è tra 100 e 1.000 volte più veloce dei migliori transistor commerciali di oggi.
"Ciò che rende il nuovo dispositivo così efficiente dal punto di vista energetico è che ci vogliono solo pochi fotoni per farlo funzionare", ha commentato il primo autore dello studio, il dottor Anton Zasedatelev. "Infatti, nei nostri laboratori Skoltech abbiamo ottenuto la commutazione con un solo fotone a temperatura ambiente! Detto questo, c'è ancora molta strada da fare prima che tale dimostrazione proof-of-principle venga utilizzata in un co-processore completamente ottico", ha aggiunto il professor Pavlos Lagoudakis, che dirige gli Hybrid Photonics Labs di Skoltech.
Poiché un fotone è la più piccola particella di luce che esiste in natura, non c'è davvero molto spazio per miglioramenti oltre a questo per quanto riguarda il consumo di energia. La maggior parte dei transistor elettrici moderni richiede decine di volte più energia per commutare, e quelli che utilizzano singoli elettroni per ottenere efficienze comparabili sono molto più lenti.
Oltre ai problemi di prestazioni, i transistor elettronici a risparmio energetico concorrenti tendono anche a richiedere apparecchiature di raffreddamento ingombranti, che a loro volta consumano energia e aumentano i costi operativi. Il nuovo switch invece funziona comodamente a temperatura ambiente e quindi aggira tutti questi problemi.
Il dispositivo si basa su due laser per impostare il suo stato su "0" o "1" e per passare da uno all'altro. Un raggio laser di controllo molto debole viene utilizzato per accendere o spegnere un altro raggio laser più luminoso. Bastano pochi fotoni nel raggio di controllo, da qui l'alta efficienza del dispositivo.
La commutazione avviene all'interno di una microcavità - un polimero semiconduttore organico sottile 35 nanometri inserito tra strutture inorganiche altamente riflettenti. La microcavità è costruita in modo tale da mantenere la luce in entrata intrappolata all'interno il più a lungo possibile per favorirne l'accoppiamento con il materiale della cavità.
Questo accoppiamento luce-materia costituisce la base del nuovo dispositivo. Quando i fotoni si accoppiano fortemente a coppie elettrone-lacuna legate – note come eccitoni – nel materiale della cavità, questo dà origine a entità di breve durata chiamate eccitoni-polaritoni, che sono una sorta di quasiparticelle al centro del funzionamento dell'interruttore.
Quando il laser più luminoso colpisce lo switch, questo crea migliaia di quasiparticelle identiche nella stessa posizione, formando il cosiddetto condensato di Bose-Einstein, che codifica gli stati logici "0" e "1" del dispositivo.
"C'è ancora del lavoro davanti a noi per ridurre il consumo energetico complessivo del nostro dispositivo, che è attualmente dominato dal laser che mantiene l'interruttore acceso. Un percorso verso questo obiettivo potrebbe essere rappresentato dall'adozione di materiali supercristallini di perovskite, che si sono dimostrati candidati eccellenti dato il loro forte accoppiamento luce-materia che a sua volta porta a una potente risposta quantistica collettiva sotto forma di superfluorescenza", ha commentato il team.