Nuevos láseres de tamaño nanométrico
La luz como soporte de datos en formato digital revolucionó las tecnologías de la información en la década de 1980, cuando la fibra óptica empezó a sustituir a los cables de cobre, haciendo que la transmisión de datos de esa clase fuera más rápida. Dado que la comunicación óptica depende de la luz (ondas electromagnéticas con una frecuencia de varios cientos de terahercios), permite la transferencia de terabytes de datos cada segundo a través de una sola fibra, superando ampliamente la capacidad de las interconexiones eléctricas tradicionales. La fibra óptica es la base de la internet moderna, pero la luz podría hacer mucho más por nosotros. Podría ponerse en acción incluso dentro de los microprocesadores de los ordenadores personales, las supercomputadoras, los teléfonos inteligentes y otros dispositivos. Esto requiere el uso de líneas de comunicación óptica y sistemas láser muy miniaturizados para interconectar los componentes puramente eléctricos, como los núcleos de los procesadores. Como resultado, grandes cantidades de información podrían ser transferidas a través del chip casi instantáneamente.
La eliminación de la limitación de la transmisión de datos dentro de un chip permitirá mejorar directamente el rendimiento del microprocesador apilando más núcleos de procesador, hasta el punto de crear un procesador de 1.000 núcleos que sería virtualmente 100 veces más rápido que su homólogo de 10 núcleos, que es lo que persiguen los gigantes de la industria de los semiconductores IBM, HP, Intel, Oracle y otros. Esto a su vez hará posible diseñar una supercomputadora en un solo chip.
El reto es conectar la óptica y la electrónica a escala nanométrica. Para lograrlo, los componentes ópticos no pueden ser más grandes que unos cientos de nanómetros, lo cual es unas 100 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano. Esta restricción de tamaño también se aplica a los láseres en chip, que son necesarios para convertir la información de las señales eléctricas en pulsos ópticos que transporten los bits de los datos.
Sin embargo, la luz es un tipo de radiación electromagnética con una longitud de onda de cientos de nanómetros. Y, dicho de modo simplificado, si se fabrica un láser demasiado pequeño, los fotones no caben en él. Para evitar esta restricción en el tamaño de los dispositivos ópticos, que se conoce como el límite de difracción, una posible estrategia es reemplazar los fotones por polaritones plasmónicos de superficie.
Los polaritones plasmónicos de superficie son oscilaciones colectivas de electrones en confinamiento en la superficie de un metal e interactúan con el campo electromagnético circundante. Sólo unos pocos metales conocidos como metales plasmónicos son buenos para trabajar con los polaritones plasmónicos de superficie: oro, plata, cobre y aluminio. Al igual que los fotones, los polaritones plasmónicos de superficie operan en algunas funciones como lo hacen las ondas electromagnéticas, pero a la misma frecuencia están mucho mejor localizados, es decir, ocupan menos espacio. El uso de polaritones plasmónicos de superficie en vez de fotones permite «comprimir» la luz y así superar el límite de difracción.
El diseño de láseres plasmónicos a escala nanométrica ya es posible con las tecnologías actuales. Sin embargo, estos nanoláseres son bombeados ópticamente, es decir, tienen que ser iluminados con láseres externos voluminosos y de alta potencia. Esto puede ser aceptable para los experimentos científicos, pero no resulta práctico fuera del laboratorio. Un chip electrónico destinado a la producción en masa y a aplicaciones de la vida cotidiana tiene que incorporar cientos de nanoláseres y funcionar en una placa de circuito impreso ordinaria. Un láser práctico necesita ser bombeado solo eléctricamente, o, en otras palabras, alimentado solo por una batería ordinaria o una fuente de alimentación de corriente continua. Hasta ahora esos láseres solo estaba disponibles como dispositivos que solo pueden funcionar si sus componentes críticos se mantienen a temperaturas bajísimas (criogénicas), lo que no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones prácticas, ya que no resulta factible usar nitrógeno líquido para mantener la refrigeración en aparatos de la vida cotidiana.
Unos físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) en Rusia y el King’s College de Londres en el Reino Unido han ideado un diseño alternativo.
El nuevo diseño del equipo de Dmitry Fedyanin, del Centro de Fotónica y Materiales 2D dependiente del MIPT, permite que el nanoláser tenga las características requeridas y sea capaz de funcionar a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, a diferencia de lo que sucede en otros nanoláseres de su tipo, la radiación se dirige eficazmente a una guía de ondas fotónicas o plasmónicas, lo que hace que el nanoláser se adapte bien a los circuitos integrados.
A pesar de sus dimensiones nanométricas, la potencia de salida prevista del nanoláser asciende a más de 100 microvatios, lo que es comparable a la de láseres fotónicos mucho más grandes. Esa elevada potencia de salida permite que cada nanoláser se utilice para transmitir cientos de gigabits por segundo, eliminando uno de los obstáculos más grandes para los microchips de mayor rendimiento. Y eso incluye todo tipo de dispositivos informáticos de alta gama: procesadores de supercomputadoras, procesadores gráficos y quizás otros dispositivos todavía no inventados. (Fuente: NCYT de Amazings)
