Os cientistas podem agora alternar entre elétrons e fótons em um único transistor

Bem vindo ao futuro.

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Créditos: Jorik / Shutterstock.

Por Peter Dockrill
Publicado em Science Alert

Os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de transistor laser que pode alternar entre dois estados de energia estáveis, eletrônicos e fotônicos, que poderiam um dia permitir a transferência de dados 100 vezes mais rápido do que os dispositivos digitais convencionais.

O protótipo do transistor possui o que é chamado de biestabilidade, capacidade de um único switch alternar entre saída de sinal ótico e elétrico, e isso poderia ajudar o desenvolvimento de sistemas de computação baseados em luz onde os dados são transferidos entre semicondutores por fótons em vez de simplesmente elétrons.

“Construir um transistor com biestabilidade elétrica e ótica em um chip de computador aumentará significativamente a velocidade de processamento”, diz o engenheiro de microeletrônica Milton Feng da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, “devido os dispositivos conseguirem se comunicar sem a interferência que ocorre quando se limitada apenas a transistores de elétrons.”

Em dispositivos eletrônicos convencionais, os microchips são compostos de bilhões de pequenos interruptores chamados transistores, que atuam como entradas para canalizar o fluxo de elétrons através de um circuito integrado.

O problema com este modelo, que tem funcionado muito bem para dispositivos eletrônicos por várias décadas até agora, é que como processadores de computador modernos se tornaram cada vez mais rápido e mais poderoso, o número de transistores sobre eles inevitavelmente aumenta.

Essa tendência é o que é chamamos de Lei de Moore – a famosa previsão do cofundador da Intel, Gordon Moore, de que a contagem de transistores em um circuito integrado dobrará a cada dois anos.

A Lei de Moore realmente tem se mantido muito bem desde que foi prevista pela primeira vez na década de 1960 , porém por uma série de questões técnicas estão atualmente ameaçando descarrilar sua permanência – o que poderia colocar um fim aos processadores que ficam mais rápidos se não podemos pensar em novas maneiras de construí-los.

O ponto principal é que os transistores ficaram tão incrivelmente pequenos que agora está ficando mais difícil de encolhê-los fisicamente, e também há preocupações sobre como energia/eficiência de transistores baseados em elétrons serão se a Lei de Moore continuar no futuro.

Além desses pontos, luz pode viajar significativamente mais rápido do que os elétrons dentro de um circuito integrado, passar para processadores fotônicos no lugar de dispositivos exclusivamente eletrônicos faz muito sentido, razão pela qual os cientistas estão ocupados estudando como podemos desenvolver computadores baseados na luz.

Para esse fim, Feng e o colega pesquisador Nick Holonyak Jr primeiro desenvolveram o conceito de transistor laser em 2004 – um dispositivo semicondutor que incorpora tanto saídas elétrica como ótica.

“O modo mais rápido para uma corrente alternar em um material semicondutor é os elétrons saltarem entre bandas no material em um processo chamado de tunelamento”, explicou Feng em 2016.

“Fótons ajudam a lançar os elétrons através, um processo chamado intra-cavidade fotônica assistida por tunelamento, tornando o dispositivo muito mais rápido.”

Em sua última pesquisa, a mesma equipe já descreveu como o transistor laser pode alternar entre os dois sinais, uma distinção crucial para a computação ótica, já que, apesar do fascínio da fotônica, os pesquisadores dizem que ainda precisamos acomodar os elétrons em futuros projetos de chips

“Você não pode remover sistema eletrônicos inteiramente porque você precisa se conectar a uma corrente e convertê-la em luz”, diz Feng .

“Esse é o problema com o conceito de computador totalmente ótico que algumas pessoas falam, mas não é possível porque não existe um sistema totalmente ótico”.

No novo estudo, os pesquisadores detalham como eles têm seu interruptor biestavel trabalhando a – 50 graus Celsius.

Os pesquisadores afirmam ter realmente conseguido que o dispositivo funcione à temperatura ambiente, o que é muito importante se formos usar esses transistores em dispositivos reais, e irão compartilhar detalhes sobre como eles conseguiram isso em seu próximo paper.

Quanto a quando vamos ver esse tipo de tecnologia em nossos smartphones e notebooks, ainda não está totalmente claro.

Mas é uma aposta certa de que, quando nossos microchips incluírem bilhões de minúsculos lasers, um novo tipo de computação será possível.

“Este é um único dispositivo que fornece biestabilidade para ambas as funções elétricas e óticas com um interruptor,” diz Feng.

“É totalmente novo e estamos trabalhando duro para encontrar novas aplicações para o dispositivo.”

Os resultados em detalhes são descritos na revista Journal of Applied Physics.

Referência

  • M. Feng, N. Holonyak Jr., M. K. Wu, and F. Tan. Electro-optical hysteresis and bistability in the ring-cavity tunneling-collector transistor laser Journal of Applied Physics 2017 121:15
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