Le porte logiche chirali creano elaboratori di dati ultraveloci

Le porte logiche ottiche basate sulla luce operano molto più velocemente delle loro controparti elettroniche e potrebbero essere cruciali per soddisfare la domanda sempre crescente di elaborazione e trasferimento dati più efficienti e ultraveloci. Un nuovo tipo di porta logica di "chiralità ottica" sviluppata dai ricercatori di Università Aalto funziona circa un milione di volte più velocemente delle tecnologie esistenti.

Come gli elettroni e le molecole, i fotoni hanno un cosiddetto grado di libertà intrinseco noto come chiralità (o manualità). La chiralità ottica, che è definita dalla luce polarizzata circolarmente sinistra e destra, mostra grandi promesse per la ricerca e le applicazioni fondamentali come le tecnologie quantistiche, l'ottica non lineare chirale, il rilevamento, l'imaging e il campo emergente della "valleytronics".

Materiale ottico non lineare

Il nuovo dispositivo funziona utilizzando due fasci di luce polarizzati circolarmente di diverse lunghezze d'onda come segnali logici di ingresso (0 o 1, a seconda della loro specifica chiralità ottica). I ricercatori, guidati da Yi Zhang, ha fatto brillare questi raggi su lastre atomicamente sottili del materiale semiconduttore cristallino MoS₂ su un substrato sfuso di biossido di silicio. MoS₂ è un materiale ottico non lineare, cioè può generare luce a una frequenza diversa da quella del raggio di ingresso.

Zhang e colleghi hanno osservato la generazione di una nuova lunghezza d'onda (il segnale di uscita logica). Regolando la chiralità dei due fasci di input, sono possibili quattro combinazioni di input, corrispondenti a (0,0), (0,1), (1,1) e (1,0). Nel processo ottico non lineare, il segnale di uscita generato è considerato come 1 logico o 0 logico in base alla presenza o all'assenza, rispettivamente, di questo segnale di uscita.

Regole di selezione chirale

Il sistema funziona grazie al fatto che il materiale cristallino è sensibile alla chiralità dei fasci di ingresso e obbedisce a determinate regole di selezione chirale (legate al MoS₂ triplice simmetria rotazionale del monostrato). Queste regole determinano se viene generato o meno il segnale di uscita non lineare.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di realizzare porte logiche ultraveloci (meno di 100 fs) completamente ottiche XNOR, NOR, AND, XOR, OR e NAND, nonché un mezzo sommatore.

E non è tutto: il team ha anche dimostrato che un singolo dispositivo può contenere più porte logiche di chiralità operanti contemporaneamente in parallelo. Questo è radicalmente diverso dai dispositivi logici ottici ed elettrici convenzionali che in genere eseguono un'operazione logica per dispositivo, afferma Zhang. Tali porte logiche parallele simultanee potrebbero essere utilizzate per costruire reti e circuiti logici complessi e multifunzionali.

La porta logica batte il record di velocità

Le porte logiche di chiralità possono anche essere controllate e configurate elettronicamente in un'interfaccia elettro-ottica. "Tradizionalmente, la connessione tra calcolo elettronico e ottico/fotonico è stata realizzata principalmente attraverso una conversione ottica-elettrica ed elettrica-ottica lenta e inefficiente", dice Zhang Mondo della fisica. “Dimostriamo il controllo elettrico delle porte logiche di chiralità, aprendo una prospettiva entusiasmante per la prima e diretta interconnessione tra calcolo elettrico e ottico”.

"Sulla base di questo, speriamo che in futuro possano essere realizzate modalità di calcolo completamente ottiche", afferma Zhang.

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Anticipi Scienza, ora sperano di migliorare l'efficienza delle loro porte logiche di chiralità e di ridurre il loro consumo energetico.

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