Fisica

I chip per l'elaborazione delle informazioni basati sulla luce potrebbero fornire un enorme miglioramento in termini di potenza di elaborazione e velocità rispetto all'elettronica odierna, ma una delle sfide per il loro sviluppo è la creazione di interruttori veloci controllati otticamente. Un nuovo trucco per consentire a un segnale luminoso di controllarne un altro in un materiale semiconduttore ora spinge i tempi di commutazione da circa un picosecondo (10-12 secondi) a fino a 100 volte più veloci in un dispositivo che può essere facilmente integrato su un chip [1] . La rapida commutazione si ottiene sfruttando il condensato di Bose-Einstein (BEC), uno stato quantistico famoso per il comportamento esotico nei superconduttori e nei gas freddi, in un modo nuovo. Il lavoro apre la strada alle tecnologie dell’informazione ottica ad altissima frequenza.

La commutazione optoelettronica, che utilizza la luce per controllare una corrente, è stata precedentemente dimostrata in appena 1 femtosecondo (10-12 secondi), ma solo in un dispositivo a semiconduttore difficile da fabbricare e da utilizzare [2]. Un approccio diverso alla realizzazione di dispositivi ottici basati su chip sfrutta le eccitazioni elettroniche chiamate polaritoni eccitonici, che si formano quando un fotone intrappolato in una cavità ottica interagisce con uno stato elettronico chiamato eccitone (una combinazione di un elettrone e una "buca" o assenza di un elettrone). Il fotone e l'eccitone possono legarsi in una quasiparticella, il polaritone dell'eccitone.

I polaritoni degli eccitoni possono interagire con la luce in modi che cambiano bruscamente al variare dell'intensità della luce. In particolare, un impulso ottico può far sì che la luce emessa da queste quasiparticelle diminuisca bruscamente fino a raggiungere l'intensità zero. In precedenza sono stati segnalati interruttori ottici basati su Polariton con tempi di commutazione di circa un picosecondo [3, 4].

Un team cinese guidato da Hui Li della East China Normal University voleva accelerare il passaggio utilizzando un BEC di polaritoni, dove le quasiparticelle si “condensano” in un unico stato quantico. La condensazione di Bose-Einstein avviene generalmente solo a temperature ultrabasse, ma i polaritoni degli eccitoni nelle microcavità dei semiconduttori possono formare un BEC anche a temperatura ambiente [5]. Tali condensati di polaritoni sono stati utilizzati in precedenza negli interruttori ottici e in altri dispositivi [3, 6], ma Li e colleghi sospettavano che avrebbero potuto ottenere una commutazione molto più rapida con una nuova tecnica. Volevano sfruttare il modo in cui un impulso di luce di "controllo" può interagire con la parte fotonica delle quasiparticelle per eliminare rapidamente molti polaritoni dallo stato BEC e spegnere bruscamente il sistema.

Il polaritone BEC del team è formato in una microcavità - un filo di ossido di zinco, 3,6 micrometri di sezione trasversale - da polaritoni eccitonici creati da un impulso di pompa ultravioletta che dura solo pochi femtosecondi. I fotoni della pompa rimbalzano all'interno della sezione trasversale esagonale del filo e interagiscono con gli eccitoni nel materiale per formare polaritoni. I polaritoni si condensano in un BEC di circa 20 milioni di quasiparticelle che decade in pochi picosecondi. L'impulso della pompa funge da segnale di ingresso; mentre dura il BEC, alcuni dei suoi fotoni vengono emessi e possono essere rilevati come output.

L'impulso di controllo di un laser rosso interrompe la condensa, impoverendola dei polaritoni e spegnendo il segnale di uscita. Li afferma che questa interruzione avviene in meno di un picosecondo, circa 100 volte più velocemente dei precedenti interruttori polaritoni. Inoltre, il rapporto tra il segnale on e off (rapporto di estinzione) nel dispositivo è di circa un milione, il migliore ottenuto in un interruttore polaritone. I ricercatori affermano che la velocità di commutazione potrebbe essere accelerata di 10 volte riducendo la durata dell'impulso di controllo.

"È un lavoro davvero interessante e sono impressionato dai risultati", afferma l'esperto di ottica quantistica Daniel Suárez Forero dell'Università del Maryland a College Park. "È bello vedere come, 27 anni dopo la prima dimostrazione sperimentale di un BEC, il controllo dei sistemi che ospitano questo fenomeno sia migliorato al punto da poter implementare applicazioni tecnologiche."

Loda il funzionamento a temperatura ambiente, i tempi di commutazione rapidi e l'elevato rapporto di estinzione del dispositivo. Tali proprietà "rendono questi sistemi molto adatti per le tecnologie di commutazione ultraveloce", afferma. Ma Suárez Forero avverte che ci sono ancora importanti sfide da superare, ad esempio la miniaturizzazione di tutti i componenti della configurazione, compresi i laser.