Una búsqueda de larga data para la ciencia y la tecnología ha sido desarrollar procesamiento electrónico y de información que opere cerca de las escalas de tiempo más rápidas permitidas por las leyes de la naturaleza.
Una forma prometedora de lograr este objetivo consiste en usar luz láser para guiar el movimiento de los electrones en la materia y luego usar este control para desarrollar elementos de circuitos electrónicos, un concepto conocido como electrónica de ondas de luz.
Sorprendentemente, los láseres actualmente nos permiten generar ráfagas de electricidad en escalas de tiempo de femtosegundos, es decir, en una millonésima de una billonésima de segundo. Sin embargo, nuestra capacidad para procesar información en estas escalas de tiempo ultrarrápidas sigue siendo esquiva.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Rochester y la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han dado un paso decisivo en esta dirección al demostrar una puerta lógica, el componente básico de la computación y el procesamiento de la información, que opera en femtosegundos. escalas de tiempo La hazaña, reportada en el diario. Naturalezase logró aprovechando y controlando de forma independiente, por primera vez, los portadores de carga reales y virtuales que componen estas ráfagas ultrarrápidas de electricidad.
Los avances de los investigadores han abierto la puerta al procesamiento de información en el límite de los petahercios, donde se pueden procesar un cuatrillón de operaciones computacionales por segundo. Eso es casi un millón de veces más rápido que las computadoras actuales que funcionan con velocidades de reloj de gigahercios, donde 1 petahercio es 1 millón de gigahercios.
«Este es un gran ejemplo de cómo la ciencia fundamental puede conducir a nuevas tecnologías», dice Ignacio Franco, profesor asociado de química y física en Rochester quien, en colaboración con el estudiante de doctorado Antonio José Garzón-Ramírez ’21 (PhD), realizó el estudios teóricos que conducen a este descubrimiento.
Los láseres generan ráfagas ultrarrápidas de electricidad
En los últimos años, los científicos han aprendido a explotar pulsos de láser que duran unos pocos femtosegundos para generar ráfagas ultrarrápidas de corrientes eléctricas. Esto se hace, por ejemplo, iluminando diminutos cables a base de grafeno que conectan dos metales dorados. El pulso láser ultracorto pone en movimiento, o «excita», los electrones en el grafeno y, lo que es más importante, los envía en una dirección particular, generando así una corriente eléctrica neta.
Los pulsos de láser pueden producir electricidad mucho más rápido que cualquier método tradicional, y lo hacen en ausencia de voltaje aplicado. Además, la dirección y la magnitud de la corriente pueden controlarse simplemente variando la forma del pulso láser (es decir, cambiando su fase).
El gran avance: aprovechamiento de portadores de carga reales y virtuales
Los grupos de investigación de Franco y de Peter Hommelhoff de la FAU trabajan desde hace varios años para convertir las ondas de luz en pulsos de corriente ultrarrápidos.
Al tratar de conciliar las mediciones experimentales en Erlangen con las simulaciones computacionales en Rochester, el equipo se dio cuenta: en las uniones de oro-grafeno-oro, es posible generar dos sabores, «real» y «virtual», de las partículas. llevando las cargas que componen estas ráfagas de electricidad.
- Portadores de carga «reales» son electrones excitados por la luz que permanecen en movimiento direccional incluso después de que se apaga el pulso láser.
- Portadores de carga «virtuales» son electrones que solo se ponen en movimiento direccional neto mientras el pulso láser está encendido. Como tales, son especies escurridizas que solo viven transitoriamente durante la iluminación.
Debido a que el grafeno está conectado al oro, el metal absorbe tanto los portadores de carga reales como los virtuales para producir una corriente neta.
Sorprendentemente, el equipo descubrió que al cambiar la forma del pulso láser, podían generar corrientes en las que solo los portadores de carga reales o virtuales desempeñan un papel. En otras palabras, no solo generaron dos tipos de corrientes, sino que también aprendieron a controlarlas de forma independiente, un hallazgo que aumenta drásticamente los elementos de diseño en la electrónica de ondas de luz.
Puertas lógicas a través de láseres
Usando este panorama de control aumentado, el equipo pudo demostrar experimentalmente, por primera vez, puertas lógicas que operan en una escala de tiempo de femtosegundos.
Las puertas lógicas son los bloques de construcción básicos necesarios para los cálculos. Controlan cómo se procesa la información entrante, que toma la forma de 0 o 1 (conocidos como bits). Las puertas lógicas requieren dos señales de entrada y producen una salida lógica.
En el experimento de los investigadores, las señales de entrada son la forma o la fase de dos pulsos láser sincronizados, cada uno elegido para generar solo una ráfaga de portadores de carga reales o virtuales. Dependiendo de las fases del láser utilizadas, estas dos contribuciones a las corrientes pueden sumarse o anularse. A la señal eléctrica neta se le puede asignar información lógica 0 o 1, lo que produce una puerta lógica ultrarrápida.
«Probablemente pasará mucho tiempo antes de que esta técnica pueda usarse en un chip de computadora, pero al menos ahora sabemos que la electrónica de ondas de luz es prácticamente posible», dice Tobias Boolakee, quien dirigió los esfuerzos experimentales como estudiante de doctorado en FAU.
«Nuestros resultados allanan el camino hacia la electrónica ultrarrápida y el procesamiento de la información», dice Garzón-Ramírez ’21 (PhD), ahora investigadora posdoctoral en la Universidad McGill.
«Lo sorprendente de esta puerta lógica», dice Franco, «es que las operaciones no se realizan en gigahercios, como en las computadoras normales, sino en petahercios, que son un millón de veces más rápidos. Esto se debe a los pulsos de láser realmente cortos que se utilizan que ocurren en una millonésima de una billonésima de segundo».
De los fundamentos a las aplicaciones
Esta nueva tecnología potencialmente transformadora surgió de estudios fundamentales sobre cómo se puede impulsar la carga en sistemas a nanoescala con láseres.
“A través de la teoría fundamental y su conexión con los experimentos, aclaramos el papel de los portadores de carga virtuales y reales en las corrientes inducidas por láser, y eso abrió el camino para la creación de puertas lógicas ultrarrápidas”, dice Franco.
El estudio representa más de 15 años de investigación de Franco. En 2007, como estudiante de doctorado en la Universidad de Toronto, ideó un método para generar corrientes eléctricas ultrarrápidas en cables moleculares expuestos a pulsos de láser de femtosegundos. Esta propuesta inicial se implementó posteriormente de forma experimental en 2013 y el mecanismo detallado detrás de los experimentos fue explicado por el grupo de Franco en un estudio de 2018. Desde entonces, ha habido lo que Franco llama un crecimiento experimental y teórico «explosivo» en esta área.
«Esta es un área donde la teoría y los experimentos se desafían entre sí y, al hacerlo, revelan nuevos descubrimientos fundamentales y tecnologías prometedoras», dice.
El Laboratorio Franco cuenta con el apoyo de premios del programa de Teoría Química y Computación de la Fundación Nacional de Ciencias y la Beca de la Facultad Leonard Mandel de la Universidad de Rochester.
