Física

Los chips de procesamiento de información basados ​​en luz podrían proporcionar una gran mejora en la potencia y velocidad de procesamiento con respecto a la electrónica actual, pero uno de los desafíos para su desarrollo es crear interruptores controlados ópticamente que sean rápidos. Un nuevo truco para permitir que una señal de luz controle otra en un material semiconductor ahora empuja los tiempos de conmutación de alrededor de un picosegundo (10-12 segundos) hasta 100 veces más rápido en un dispositivo que puede integrarse fácilmente en un chip [1] . El cambio rápido se logra mediante la explotación de un condensado de Bose-Einstein (BEC), un estado cuántico famoso por su comportamiento exótico en superconductores y gases fríos, de una manera nueva. El trabajo allana el camino hacia las tecnologías de la información óptica de frecuencia extremadamente alta.

La conmutación optoelectrónica, que usa luz para controlar una corriente, se demostró previamente en solo 1 femtosegundo (10-12 segundos), pero solo en un dispositivo semiconductor que es difícil de fabricar y operar [2]. Un enfoque diferente para fabricar dispositivos ópticos basados ​​en chips explota excitaciones electrónicas llamadas polaritones de excitón, que se forman cuando un fotón atrapado en una cavidad óptica interactúa con un estado electrónico llamado excitón (una combinación de un electrón y un "agujero" o ausencia de un electrón). El fotón y el excitón pueden unirse en una cuasipartícula, el polaritón excitón.

Los polaritones de excitón pueden interactuar con la luz de maneras que cambian abruptamente a medida que cambia la intensidad de la luz. En particular, un pulso óptico puede hacer que la luz emitida por estas cuasipartículas disminuya abruptamente a una intensidad cero. Los conmutadores ópticos basados ​​en polariton se han informado anteriormente con tiempos de conmutación de un picosegundo más o menos [3, 4].

Un equipo en China dirigido por Hui Li de la Universidad Normal de China Oriental quería acelerar el cambio mediante el uso de un BEC de polaritones, donde las cuasipartículas se "condensan" en un solo estado cuántico. La condensación de Bose-Einstein generalmente ocurre solo a temperaturas ultrabajas, pero los polaritones de excitón en microcavidades de semiconductores pueden formar un BEC incluso a temperatura ambiente [5]. Dichos condensados ​​de polaritón se han utilizado antes en interruptores ópticos y otros dispositivos [3, 6], pero Li y sus colegas sospecharon que podrían lograr una conmutación mucho más rápida con una nueva técnica. Querían explotar la forma en que un pulso de luz de "control" puede interactuar con la parte fotónica de las cuasipartículas para eliminar rápidamente muchos de los polaritones del estado BEC y apagar abruptamente el sistema.

El polaritón BEC del equipo se forma en una microcavidad, un alambre de óxido de zinc, de 3,6 micrómetros de sección transversal, a partir de polaritones de excitón creados por un pulso de bomba ultravioleta que dura solo unos pocos femtosegundos. Los fotones de la bomba rebotan dentro de la sección transversal hexagonal del cable e interactúan con los excitones en el material para formar polaritones. Los polaritones se condensan en un BEC de alrededor de 20 millones de cuasipartículas que se desintegran en unos pocos picosegundos. El pulso de la bomba sirve como señal de entrada; mientras dura el BEC, algunos de sus fotones son emitidos y pueden ser detectados como salida.

El pulso de control de un láser rojo interrumpe el condensado, lo agota de polaritones y apaga la señal de salida. Li dice que esta interrupción ocurre en menos de un picosegundo, unas 100 veces más rápido que los interruptores de polaritón anteriores. Además, la relación de señal de encendido a apagado (relación de extinción) en el dispositivo es de aproximadamente un millón, la mejor que se logra en un interruptor de polaritón. Los investigadores dicen que la velocidad de conmutación podría acelerarse 10 veces al acortar la duración del pulso de control.

"Este es un trabajo muy bueno y estoy impresionado con los resultados", dice el experto en óptica cuántica Daniel Suárez Forero de la Universidad de Maryland en College Park. "Es agradable ver cómo, 27 años después de la primera demostración experimental de un BEC, el control de los sistemas que albergan este fenómeno ha mejorado hasta el punto de que se pueden implementar aplicaciones tecnológicas".

Elogia la operación a temperatura ambiente, los rápidos tiempos de conmutación y la alta tasa de extinción del dispositivo. Tales propiedades "hacen que estos sistemas sean muy adecuados para tecnologías de conmutación ultrarrápidas", dice. Pero Suárez Forero advierte que aún quedan desafíos importantes por superar, por ejemplo, miniaturizar todos los componentes de la configuración, incluidos los láseres.

–Felipe Bola

Philip Ball es un escritor científico independiente en Londres. Su último libro es The Modern Myths (University of Chicago Press, 2021).

Fei Chen, Hui Li, Hang Zhou, Song Luo, Zheng Sun, Ziyu Ye, Fenghao Sun, Jiawei Wang, Yuanlin Zheng, Xianfeng Chen, Huailiang Xu, Hongxing Xu, Tim Byrnes, Zhanghai Chen y Jian Wu

física Rev. Lett. 129, 057402 (2022)

Publicado el 29 de julio de 2022

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