El futuro de un procesamiento de la información más rápido y eficiente puede depender de la luz. Mark Lawrence, post doctorado en ciencia e ingeniería en Stanford, se ha acercado a este futuro con un esquema para el desarrollo de un diodo fotónico, un dispositivo que hace que la luz fluya en una sola dirección, y lo suficientemente pequeño para su uso en la electrónica de consumo. El reto es enorme ya que se tiene que diseñar estructuras muy pequeñas, de tamaño nanométrico, así como romper una simetría fundamental de la física. 

“Los diodos son omnipresentes en la electrónica moderna, desde los LED hasta las células solares, pasando por los circuitos integrados de computación y comunicaciones. El lograr diodos fotónicos compactos y eficientes es fundamental para el desarrollo de la próxima generación de tecnologías de computación, comunicación e incluso de conversión de energía”, explica Jennifer Dionne, profesora asociada de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autora principal del documento donde se describe la investigación. 

Dionne y Lawrence han logrado diseñar un nuevo diodo de fotones y han verificado su diseño con simulaciones y cálculos por ordenador. También han creado las nanoestructuras necesarias así como los componentes personalizados de tamaño nanométrico y están instalando la fuente de luz que esperan que haga realidad su sistema teorizado.

“Un gran reto de futuro es obtener una computadora totalmente óptica donde la electricidad sea reemplazada completamente por la luz y los fotones controlen todo el procesamiento de la información. El aumento de la velocidad y el ancho de banda de la luz permitirá el desarrollo de soluciones más rápidas a  la resolución de los problemas científicos, matemáticos y económicos más difíciles”, afirma Lawrence.

La conceptualización de un diodo fotónica para su uso en electrónica de consumo

Los principales desafíos para el desarrollo de un diodo basado en luz son dos. Primero, siguiendo las leyes de la termodinámica, la luz debe moverse hacia adelante a través de un objeto sin partes móviles exactamente de la misma manera que se movería hacia atrás. Hacer que esta fluya en una dirección requiere nuevos materiales que anulen esta ley, rompiendo lo que se conoce como simetría de inversión temporal. En segundo lugar, la luz es mucho más difícil de manipular que la electricidad porque no tiene carga. 

Otros investigadores han abordado estos desafíos haciendo pasar la luz a través de un polarizador, que hace que las ondas de luz oscilen en una dirección uniforme, y luego a través de un material cristalino dentro de un campo magnético, que rota la polarización de la luz. Finalmente, otro polarizador combinado con esa polarización introduce la luz con una transmisión casi perfecta. Si la luz atraviesa el dispositivo en la dirección opuesta, no sale luz. 

Para producir una rotación lo suficientemente fuerte de la polarización de la luz, este tipo de diodos deben ser relativamente grandes, demasiado voluminosos como para caber en una computadora o teléfono inteligente. Como alternativa, Dionne y Lawrence, han ideado una forma de crear la rotación en cristal utilizando otro haz de luz en lugar de un campo magnético. Este haz está polarizado de modo que su campo eléctrico adquiere un movimiento en espiral que, a su vez, genera vibraciones acústicas giratorias en el cristal, dándole capacidades de giro de tipo magnético y permitiendo una salida de más luz. Para que la estructura fuera pequeña y eficiente, se confió en la experiencia del laboratorio de Dionne para la manipulación y amplificación de la luz con pequeñas antenas y materiales nanoestructurados llamados metasuperficies. 

Los investigadores diseñaron conjuntos de discos de silicio ultra-delgados que funcionan en pares para atrapar la luz y mejorar su movimiento en espiral hasta que encuentra la salida. Esto da como resultado una alta transmisión en la dirección hacia adelante. Por el contrario, cuando se ilumina hacia atrás, las vibraciones acústicas giran en la dirección opuesta y ayudan a cancelar cualquier luz que intente salir. Teóricamente, no hay límite de cuán pequeño podría ser este sistema. Para sus simulaciones, imaginaron estructuras de 250 nanómetros. 

Un futuro de luz

Los investigadores están particularmente entusiasmados en cómo sus ideas pueden influir en el desarrollo de computadoras similares al cerebro, llamadas computadoras neuromórficas. Este objetivo también requerirá avances adicionales en otros componentes basados en la luz, como fuentes de luz e interruptores a nanoescala.

“Nuestros dispositivos nanofotónicos pueden permitirnos imitar cómo calculan las neuronas , dando a la informática la misma alta interconectividad y eficiencia energética del cerebro, pero con velocidades muchos más rápidas”, afirma Dionne. 

“Podemos tomar estas ideas en muchas direcciones. No hemos encontrando los límites de la computación óptica clásica o cuántica y el procesamiento óptico de la información. Algún día podríamos tener un chip totalmente óptico que haga todo lo que hace la electrónica y más”, concluye Lawrence.