Las puertas lógicas quirales crean procesadores de datos ultrarrápidos

Las puertas lógicas ópticas basadas en luz funcionan mucho más rápido que sus contrapartes electrónicas y podrían ser cruciales para satisfacer la creciente demanda de transferencia y procesamiento de datos más eficientes y ultrarrápidos. Un nuevo tipo de puerta lógica de "quiralidad óptica" desarrollada por investigadores de Universidad de Aalto funciona alrededor de un millón de veces más rápido que las tecnologías existentes.

Al igual que los electrones y las moléculas, los fotones tienen el llamado grado de libertad intrínseco conocido como quiralidad (o lateralidad). La quiralidad óptica, que se define por la luz polarizada circularmente a la izquierda y a la derecha, es muy prometedora para la investigación y las aplicaciones fundamentales, como las tecnologías cuánticas, la óptica no lineal quiral, la detección, la creación de imágenes y el campo emergente de la "valleytrónica".

Material óptico no lineal

El nuevo dispositivo funciona utilizando dos haces de luz polarizados circularmente de diferentes longitudes de onda como señales de entrada lógica (0 o 1, según su quiralidad óptica específica). Los investigadores, dirigidos por Yi Zhang, brilló estos haces sobre losas atómicamente delgadas del material semiconductor cristalino MoS₂ sobre un sustrato de dióxido de silicio a granel. MoS₂ es un material óptico no lineal, es decir, puede generar luz a una frecuencia diferente a la del haz de entrada.

Zhang y sus colegas observaron la generación de una nueva longitud de onda (la señal de salida lógica). Al ajustar la quiralidad de los dos haces de entrada, son posibles cuatro combinaciones de entrada, correspondientes a (0,0), (0,1), (1,1) y (1,0). En el proceso óptico no lineal, la señal de salida generada se considera como 1 lógico o 0 lógico en función de la presencia o ausencia, respectivamente, de esta señal de salida.

Reglas de selección quirales

El sistema funciona gracias a que el material cristalino es sensible a la quiralidad de los haces de entrada y obedece a ciertas reglas de selección quiral (relacionadas con el MoS₂ triple simetría rotacional de la monocapa). Estas reglas determinan si se genera o no la señal de salida no lineal.

Con este enfoque, los investigadores pudieron crear puertas lógicas XNOR, NOR, AND, XOR, OR y NAND ultrarrápidas (menos de 100 fs de tiempo de funcionamiento), así como un medio sumador.

Y eso no es todo: el equipo también demostró que un solo dispositivo puede contener múltiples puertas lógicas de quiralidad operando al mismo tiempo en paralelo. Esto es radicalmente diferente a los dispositivos lógicos ópticos y eléctricos convencionales que normalmente realizan una operación lógica por dispositivo, dice Zhang. Tales puertas lógicas paralelas simultáneas podrían usarse para construir redes y circuitos lógicos complejos y multifuncionales.

Puerta lógica rompe récord de velocidad

Las puertas lógicas de quiralidad también se pueden controlar y configurar electrónicamente en una interfaz electroóptica. “Tradicionalmente, la conexión entre la computación electrónica y óptica/fotónica se ha realizado principalmente a través de una conversión lenta e ineficiente de óptico a eléctrico y de eléctrico a óptico”, dice Zhang. Mundo de la física. "Demostramos el control eléctrico de las puertas lógicas de quiralidad, abriendo una perspectiva emocionante para la primera y directa interconexión entre la computación eléctrica y óptica".

“En base a esto, esperamos que las modalidades de computación totalmente óptica puedan realizarse en el futuro”, dice Zhang.

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Science Advances, ahora esperan mejorar la eficiencia de sus puertas lógicas de quiralidad y reducir su consumo de energía.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/chiral-logic-gates-create-ultrafast-data-processors/