Chip fotonici: il condensato di Bose-Einstein nel transistor

Vista la necessita di potenza di calcolo sempre maggiore, da tempo ormai si sta cercando di sviluppare processori con transistor sempre più piccoli e sempre più vicini tra loro; da un lato troviamo la sperimentazione con il grafene, dall’altro la luce liquida che sfrutta il condensato di Bose-Einstein.

La luce è spesso presa in considerazione come alternativa alla corrente elettrica per il trasferimento di informazioni, basta pensare alle fibre ottiche.

Intel, pochi giorni fa, ha presentato un sistema che consente di effettuare comunicazioni ottiche su lunghe distanze (fino a 2km) ed ha dichiarato di essere la prima azienda in grado di integrare un laser all’interno del silicio (questi primi moduli sono in grado di effettuare trasferimenti fino a 100 Gbps). La scelta deriva anche dal fatto che i cavi in fibra ottica occupano meno spazio e sono più economici del rame utilizzato fino ad ora.

All’università di Cambridge, un team di ricerca guidato dal prof. Jeremy Baumberg, è riuscito a creare un minuscolo interruttore dove luce ed elettricità si fondono insieme creando quella che viene chiamata “luce liquida” sfruttata come elemento della spintronica (elettronica basata sullo spin: scienza che sfrutta lo spin delle particelle per la codifica delle informazioni binarie).

Gli interruttori creati sono allo stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein, in cui abbiamo una particella generata dall’unione di un eccitone ed un fotone, avente a sua volta caratteristiche simili a quelle di un bosone; pertanto otteniamo un dispositivo molto piccolo che ci permette di avere alte velocità di trasferimento e consumi minimi.

Il condensato di Bose-Einstein (BEC) si comporta come un fluido costituito per metà da materia, per metà da luce, si ottiene portando un insieme di bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto ed a questo punto una frazione importante di queste particelle si porta nello stato quantistico di più bassa energia ed a questo punto gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica.
Gli eccitoni sono atomi aventi un nucleo a carica positiva ed un elettrone a carica negativa, scoperti sperimentalmente nei cristalli dell’ossido rameoso nel 1953 dal fisico russo Eugene Gross; si respingono a vicenda per la forza di Coulomb, che spiega perché queste particelle tendono a diffondersi uniformemente sulle superfici.
Il condensato si può formare a partire da atomi di sodio o rubidio, a temperature prossime allo zero assoluto, inoltre a causa del componente fotonico presentano una massa molto piccola.

In un condensato, inoltre, eccitone-polaritone occupano un singolo stato quantico e ciascuno si può distaccare dal cristallo convertendosi in un fotone convenzionale; visto che tutti i polaritoni sono identici all’interno del condensato, questi generano un flusso di fotoni identici, aventi stessa frequenza e propagazione nella stessa direzione, generando quindi luce laser.

La codifica dell’informazione è gestita da un campo elettrico che gestisce lo spin della particella, il tutto con energie inferiori ai 0.5 fJ (0.5 · 10^-15 J).

Nel dicembre del 2013, l’IBM, in collaborazione con l’università di Wuppertal (in Germania), ha realizzato un BEC per pochi picosecondi a temperatura ambiente, grazie ad un polimero luminescente eccitato da un laser e posto tra due specchi.

Il problema principale è che il funzionamento di questo sistema è vincolato a temperature prossime allo zero assoluto pertanto la ricerca in questo momento è orientata alla sperimentazione di nuovi materiali aventi caratteristiche analoghe a temperature ambiente.

E’ evidente quanto il potenziale di questa innovazione possa essere rilevante nel campo dei computer ottici dato che addirittura in alcune circostanze il flusso diventa superliquido e si propaga senza dispersioni.

Tranistor ottici basati su superfluidi di eccitoni-polaritoni consumeranno meno energia e scalderanno in misura decisamene inferiore rispetto ai chip attualmente presenti sul mercato ed il prototipo realizzato è stato prodotto mediante tecniche produttive già note, pertanto sarebbe già realizzabile su larga scala.

Non ci resta che attendere la scoperta del materiale più adatto al processo per poter avere presto dei chip che implementano un numero nettamente superiore di transitor e quindi molta più potenza di calcolo in uno spazio ristretto e con consumi decisamente inferiori.