Física

Chips de processamento de informações baseados em luz poderiam fornecer uma grande melhoria no poder de processamento e velocidade em relação aos eletrônicos de hoje, mas um dos desafios para seu desenvolvimento é criar interruptores controlados opticamente que sejam rápidos. Um novo truque para permitir que um sinal de luz controle outro em um material semicondutor agora aumenta os tempos de comutação de cerca de um picossegundo (10 a 12 segundos) para até 100 vezes mais rápido em um dispositivo que pode ser facilmente integrado a um chip [1] . A comutação rápida é obtida explorando um condensado de Bose-Einstein (BEC) – um estado quântico famoso por seu comportamento exótico em supercondutores e gases frios – de uma nova maneira. O trabalho abre caminho para tecnologias de informação óptica de frequência extremamente alta.

A comutação optoeletrônica - usando luz para controlar uma corrente - já foi demonstrada em apenas 1 femtossegundo (10-12 segundos), mas apenas em um dispositivo semicondutor que é difícil de fabricar e operar [2]. Uma abordagem diferente para fabricar dispositivos ópticos baseados em chip explora excitações eletrônicas chamadas de exciton polaritons, formadas quando um fóton preso em uma cavidade óptica interage com um estado eletrônico chamado exciton (uma combinação de um elétron e um "buraco", ou ausência de um elétron). O fóton e o exciton podem se ligar em uma quasipartícula, o exciton polariton.

Os polaritons Exciton podem interagir com a luz de maneiras que mudam abruptamente conforme a intensidade da luz é alterada. Em particular, um pulso óptico pode fazer com que a luz emitida por essas quasipartículas diminua abruptamente para intensidade zero. Comutadores ópticos baseados em polariton foram relatados anteriormente com tempos de comutação de um picossegundo ou mais [3, 4].

Uma equipe na China liderada por Hui Li, da East China Normal University, queria acelerar a comutação usando um BEC de polaritons, onde as quasipartículas "condensam" em um único estado quântico. A condensação de Bose-Einstein geralmente ocorre apenas em temperaturas ultrabaixas, mas polaritons de éxciton em microcavidades de semicondutores podem formar um BEC mesmo em temperatura ambiente [5]. Esses condensados ​​de polariton já foram usados ​​anteriormente em comutadores ópticos e outros dispositivos [3, 6], mas Li e seus colegas suspeitavam que eles poderiam obter comutações muito mais rápidas com uma nova técnica. Eles queriam explorar a maneira como um pulso de luz de "controle" pode interagir com a parte do fóton das quasipartículas para limpar rapidamente muitos dos polaritons do estado BEC e desligar abruptamente o sistema.

O BEC de polariton da equipe é formado em uma microcavidade – um fio de óxido de zinco, com seção transversal de 3,6 micrômetros – a partir de polaritons de exciton criados por um pulso de bomba ultravioleta que dura apenas alguns femtossegundos. Os fótons da bomba saltam dentro da seção transversal hexagonal do fio e interagem com excitons no material para formar polaritons. Os polaritons se condensam em um BEC de cerca de 20 milhões de quasipartículas que decaem em alguns picossegundos. O pulso da bomba serve como sinal de entrada; enquanto o BEC dura, alguns de seus fótons são emitidos e podem ser detectados como saída.

O pulso de controle de um laser vermelho interrompe o condensado, esgotando-o de polaritons e desligando o sinal de saída. Li diz que essa interrupção ocorre em menos de um picossegundo – cerca de 100 vezes mais rápido do que os interruptores polariton anteriores. Além disso, a proporção de sinal liga/desliga (taxa de extinção) no dispositivo é de cerca de um milhão - a melhor obtida em uma chave polariton. Os pesquisadores dizem que a velocidade de comutação pode ser acelerada em 10 vezes, encurtando a duração do pulso de controle.

"Este é um trabalho muito bom e estou impressionado com os resultados", diz o especialista em óptica quântica Daniel Suárez Forero, da Universidade de Maryland em College Park. "É bom ver como, 27 anos após a primeira demonstração experimental de um BEC, o controle dos sistemas que hospedam esse fenômeno melhorou a ponto de permitir a implementação de aplicativos tecnológicos."

Ele elogia a operação em temperatura ambiente, os tempos de comutação rápidos e a alta taxa de extinção do dispositivo. Essas propriedades "tornam esses sistemas muito adequados para tecnologias de comutação ultrarrápidas", diz ele. Mas Suárez Forero adverte que ainda há desafios importantes a serem superados – por exemplo, miniaturizar todos os componentes da configuração, incluindo os lasers.