Transístor de luz acelera computação 1.000 vezes com energia mais baixa possível

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/09/2021

Esquema do transístor de luz.
[Imagem: Polloc/CNRS]

Transístor de luz

Uma equipe da IBM e do Instituto de Tecnologia Skolkovo, na Rússia, criou um transístor óptico com potencial para substituir os transistores eletrônicos atuais em uma nova geração de computadores que funcionam com fótons em vez de elétrons.

Além da economia de energia direta, o transístor de luz não requer resfriamento e é muito rápido: Quando trabalha na faixa de 1 trilhão de operações por segundo, ele é entre 100 e 1.000 vezes mais rápido do que os transistores eletrônicos de primeira linha de hoje.

"O que torna o novo componente tão eficiente em termos de energia é que basta apenas alguns fótons para fazê-lo chavear," comentou o professor Anton Zasedatelev. "Na verdade, em nossos laboratórios aqui no Skoltech, conseguimos chaveá-lo com apenas um fóton em temperatura ambiente!"

E não é só isso: Além de sua função primária de transístor, a chave óptica pode atuar como um componente que conecta dispositivos transportando dados na forma de sinais ópticos. Ou também pode servir como um amplificador, aumentando a intensidade de um feixe de laser de entrada por um fator de até 23.000.

O componente também tem outras funções, como integração de redes ópticas e amplificador para lasers.
[Imagem: Anton V. Zasedatelev et al. - 10.1038/s41586-021-03866-9]

Como o transístor de luz funciona

Assim como um transístor comum alterna entre um 0 e um 1 ligando ou desligando a corrente elétrica que passa por ele, o transístor óptico faz esse chaveamento manipulando dois feixes de laser: Um feixe de laser de controle muito fraco é usado para ligar ou desligar outro feixe de laser mais brilhante.

E não são lasers de alta potência: Basta apenas alguns fótons no feixe de controle para ligar ou desligar o feixe mais forte, o que explica a alta eficiência energética do componente.

A comutação ocorre dentro de uma microcavidade - um polímero semicondutor orgânico de 35 nanômetros ensanduichado 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 de luz-matéria forma a base do novo componente: Quando os fótons se acoplam fortemente aos pares de elétron-lacuna - também conhecidos como excitons - no material da cavidade, isso dá origem a entidades de curta duração, chamadas de exciton-polaritons, que são uma espécie de quasipartículas.

Quando o laser de bombeamento - o mais brilhante dos dois - chega ao transístor, isso cria milhares de quasipartículas idênticas no mesmo local, formando um condensado, que codifica os estados lógicos "0" e "1" do transístor.

Para alternar entre os dois estados do componente, um pulso do laser de controle "ativa" o condensado pouco antes da chegada do pulso de laser de bombeamento. Isto estimula a conversão de energia do laser de bombeamento, aumentando a quantidade de quasipartículas no condensado: Uma grande quantidade de partículas ali corresponde ao estado "1" do transístor óptico.

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