Eletrônica

Operações fundamentais da computação feitas com luz

Computação fotônica: Luz é misturada em nanoescala
Esquema do componente fotônico em nanoescala. [Imagem: University of Pennsylvania]

Computação fotônica

A corrida para fabricar componentes de computadores menores e mais rápidos e que usem menos energia está forçando os limites das propriedades dos elétrons nos materiais usados pela indústria eletrônica.

Os sistemas fotônicos deverão substituir os eletrônicos, mas os fundamentos da lógica computacional - misturar duas entradas para obter uma saída definida - atualmente exigem muito espaço e potência para serem feitos com luz.

Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, construíram um sistema baseado em nanofios que abre caminho para solucionar esse problema.

"Misturar dois sinais de entrada para obter uma saída é a base da computação. É fácil fazer isso com sinais elétricos, mas não é fácil fazer com luz, uma vez que as ondas de luz normalmente não interagem umas com as outras," explica o professor Ritesh Agarwal, cuja equipe foi responsável pela primeira emissão de luz com base no silício.

O sistema combina duas ondas de luz para produzir uma terceira com uma frequência diferente e, a seguir, usa uma cavidade óptica para amplificar a intensidade da saída para um nível utilizável.

Misturando ondas de luz

A dificuldade de "misturar" a luz pode parecer contraditória, dada a gama de cores nas telas das TVs e dos computadores que são produzidas apenas por combinações de pixels vermelhos, verdes e azuis.

Ocorre que os amarelos, laranjas e roxos e todas as demais cores que esses monitores produzem são um truque de percepção, não de física - as cores vermelha e azul são simplesmente experimentadas simultaneamente, em vez de combinadas em um único comprimento de onda roxo, por exemplo.

Os chamados "materiais não-lineares" são capazes de fazer uma mistura autêntica de cores, mas mesmo os melhores candidatos nesta categoria ainda não são viáveis para aplicações computacionais, devido à alta potência exigida e às grandes dimensões dos componentes.

Computação fotônica: Luz é misturada em nanoescala
A luz de saída é emitida pela base do componente - o pontilhado representa o nanofio de sulfeto de cádmio mostrado no esquema da primeira imagem. [Imagem: Universidade da Pensilvânia]

Para reduzir o volume do material e a potência da luz necessária para fazer uma mixagem útil de sinais, a equipe revestiu parcialmente um nanofio de sulfeto de cádmio em um invólucro de prata, que funciona como uma "câmara de eco" para a luz.

"Ajustando a estrutura de modo que a luz fique em sua maior parte confinada dentro do sulfeto de cádmio, em vez de na interface entre ele e o revestimento de prata, podemos maximizar a intensidade enquanto enquanto geramos a segunda harmônica," explicou Ming-Liang Ren, responsável pela fabricação do novo componente.

Fotônica computacional em nanoescala

Exatamente como uma segunda harmônica tocada em uma corda de violão, o nanocomponente faz a duplicação da frequência da onda de luz. As informações em um sistema computacional fotônico podem então ser codificadas na frequência de uma onda - o número de oscilações que ela faz em um segundo.

Manipular essa propriedade de uma onda de luz usando outra onda de luz permite então executar os fundamentos da lógica computacional usando apenas luz - tudo com nanofios, componentes ainda menores do que os atuais transistores eletrônicos.

E, mais importante, com uma eficiência muito alta: a cavidade óptica foi capaz de aumentar a intensidade da onda de saída em mais de mil vezes.

Bibliografia:

Enhanced second-harmonic generation from metal-integrated semiconductor nanowires via highly confined whispering gallery modes
Ming-Liang Ren, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti, Liaoxin Sun, Ritesh Agarwal
Nature Communications
Vol.: 5, Article number: 5432
DOI: 10.1038/ncomms6432




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