Primeiro Transistor Totalmente Óptico Ultrarrápido à Temperatura Ambiente Estabelece Novo Padrão

Computadores digitais modernos remodelaram a sociedade, ainda as tecnologias centrais que os alimentam ainda têm significativo espaço para evolução. À medida que volumes de dados incham e cargas de trabalho de inteligência artificial crescem, a demanda por plataformas de computação mais poderosas e eficientes se intensifica.

O transistor eletrônico e a arquitetura von Neumann permanecem os pilares gêmeos dos sistemas baseados em silício de hoje. Ao empacotar cada vez mais transistores em chips menores, construímos dispositivos — smartphones, laptops e servidores — que entregam ordens de magnitude mais poder computacional que os primeiros computadores que levaram humanos à Lua. Ainda, estas tecnologias não são o capítulo final na história da computação.

Nos últimos anos, um renascimento de interesse em componentes e arquiteturas radicalmente diferentes emergiu, abrangendo hardware otimizado para IA, computação in-memory e analógica, e processadores quânticos. A IBM Research há muito está na vanguarda da exploração de tais conceitos inovadores, sondando os limites físicos que poderiam moldar a infraestrutura de processamento de informação de amanhã.

Agora, a equipe da IBM Research em Zurique, em colaboração com pesquisadores do Skolkovo Institute of Science and Technology (SIST) e da Universidade de Southampton, anunciou o primeiro transistor totalmente óptico cascateável que opera em temperatura ambiente. Este marco foi alcançado aproveitando as propriedades únicas de um polímero semicondutor orgânico — metil-substituído ladder-type poly-[parafenileno] (MeLPPP) — para criar uma microcavidade que permite um feixe laser comutar, amplificar ou suprimir outro.

O avanço é destaque na capa da última edição do periódico revisado por pares Nature Photonics.

Por Que Importa

Componentes totalmente ópticos que processam informação exclusivamente com luz prometem comutação dramaticamente mais rápida, menor consumo de energia e novas funcionalidades como roteamento de "qubits voadores" para comunicação quântica ou computação quântica cega. Construir tais dispositivos, no entanto, provou ser notoriamente difícil, e a busca por um computador totalmente óptico se estende por aproximadamente cinco décadas.

Para comutar ou amplificar um sinal óptico com outro sinal óptico, um material mediador é necessário, pois fótons no vácuo não interagem. Neste transistor, a interação é facilitada por quasi-partículas chamadas exciton-polariton, que surgem no semicondutor orgânico. Uma camada de 35 nanômetros de MeLPPP é intercalada entre dois espelhos altamente reflexivos para formar uma cavidade óptica onde exciton-polaritons são gerados usando um laser. Um exciton-polariton é um híbrido de um par elétron-buraco (exciton) e um fóton, colocando este dispositivo firmemente no campo emergente de transistores polaritônicos orgânicos.

Este transistor é o primeiro de seu tipo a operar em temperatura ambiente, entregando uma amplificação de sinal óptico sem precedentes de 6.500 vezes a partir de um dispositivo com apenas alguns micrômetros de comprimento. Essa amplificação é 330 vezes maior que a alcançada em contrapartes inorgânicas, permitindo a cascateabilidade necessária para operações lógicas. Experimentos também revelaram o maior ganho óptico líquido já registrado para um transistor óptico — aproximadamente 10 dB / µm.

Além disso, o dispositivo comuta no regime sub-picosegundo, atingindo velocidades na faixa de multi-terahertz sem a necessidade de resfriamento criogênico — uma grande vantagem sobre sistemas totalmente ópticos anteriores.

Criticamente, o transistor polaritônico orgânico elimina uma limitação prática que atrapalha designs inorgânicos: o laser de bomba em microcavidades inorgânicas deve incidir em um ângulo preciso para acionar o transistor. No dispositivo orgânico, o laser de bomba pode ser direcionado de praticamente qualquer ângulo, oferecendo flexibilidade sem precedentes para integrar o transistor em sistemas com fibra ou circuitos planar on-chip.

Como Fizemos

A paisagem energética de estados exciton-polariton é definida por vários ramos polaritônicos que surgem do forte acoplamento luz-matéria entre fótons de cavidade e excitons. Nossa estratégia aproveitou a natureza bosônica do exciton-polariton e a presença de modos vibracionais pronunciados no semicondutor orgânico para induzir um relaxamento do tipo avalanche de excitons quentes no ramo polaritônico mais baixo (estado fundamental). Este caminho de relaxamento mediado por vibron foi projetado para dominar sobre canais de conversão interna competidores, e os experimentos confirmaram sua eficácia.

Alcançando Amplificação Verdadeiramente Gigante

No primeiro passo, usamos um laser de bomba não ressonante para gerar alta densidade de excitons quentes. O comprimento de onda da bomba foi ajustado para produzir excitons cuja energia estava exatamente um quantum vibracional acima do ramo polaritônico inferior. O modo vibracional escolhido corresponde a um movimento de "respiração" dos anéis aromáticos no polímero. Como os excitons fortemente localizados exibem ampla distribuição de momento, o componente de momento no plano da bomba é largamente irrelevante; assim, a bomba pode ser aplicada em essencialmente qualquer ângulo, evitando as restrições rigorosas de phase-matching de microcavidades inorgânicas.

À medida que a densidade de excitação da bomba aumentava, observamos uma transição clara do regime linear para o não-linear, com limiar de aproximadamente 82 µJ cm⁻². Ao semear o estado polaritônico fundamental com um feixe de controle fraco (≈ 20 nJ cm⁻² — mais de três ordens de magnitude mais fraco que a bomba não ressonante), reduzimos o limiar de condensação quase pela metade e aumentamos a taxa de relaxamento exciton-para-polariton em um fator de 50 sob as mesmas condições de bomba.

Comutação Totalmente Óptica Ultrarrápida

Tempos de comutação sub-picosegundo resultam da combinação de relaxamento ultrarrápido de excitons inerente a semicondutores orgânicos e tempo de vida de cavidade sub-picosegundo. Em nossa configuração, o feixe de bomba estabelece o estado de endereço, gateado pelo feixe de controle. Com energia de controle de apenas 1 pJ, alcançamos razão de extinção máxima de 17 dB (razão dos níveis de intensidade '1' para '0') e tempo de resposta de comutação de aproximadamente 500 fs.

Finalmente, demonstramos a cascateabilidade do transistor implementando um esquema de amplificação de dois estágios. A emissão do condensado do primeiro estágio foi redirecionada para o chip e amplificada adicionalmente por uma segunda bomba. Usando amplificação em cascata, também realizamos portas lógicas OR e AND ao acoplar três transistores polaritônicos no mesmo chip dentro de uma configuração single-pump-double-probe.

Resumo

Estes experimentos mostram condensação polaritônica dinâmica mediada por vibron em microcavidade orgânica em condições ambientes, permitindo amplificação totalmente óptica, comutação sub-picosegundo e operações lógicas cascateáveis. A combinação de comutação confiável e ultrarrápida e ganho óptico recordista pavimenta o caminho para circuitos totalmente ópticos on-chip capazes de operações lógicas em taxa terahertz. Quando acoplados com avanços recentes em fortes interações polariton-polariton observadas em microcavidades inorgânicas, tais transistores poderiam eventualmente operar com apenas alguns fótons, empurrando energias de comutação para o regime attojoule.

A room‑temperature organic polariton transistor, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt & Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, pages 378–383 (2019)