Portas lógicas quirais criam processadores de dados ultrarrápidos

As portas lógicas ópticas baseadas em luz operam muito mais rápido do que suas contrapartes eletrônicas e podem ser cruciais para atender à crescente demanda por processamento e transferência de dados mais eficientes e ultrarrápidos. Um novo tipo de porta lógica de “quiralidade óptica” desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Aalto funciona cerca de um milhão de vezes mais rápido do que as tecnologias existentes.

Como elétrons e moléculas, os fótons têm o chamado grau de liberdade intrínseco conhecido como quiralidade (ou lateralidade). A quiralidade óptica, que é definida pela luz polarizada circularmente à esquerda e à direita, mostra uma grande promessa para pesquisas e aplicações fundamentais, como tecnologias quânticas, óptica não linear quiral, detecção, imagem e o campo emergente da "valleytronics".

Material óptico não linear

O novo dispositivo funciona usando dois feixes de luz circularmente polarizados de diferentes comprimentos de onda como sinais lógicos de entrada (0 ou 1, de acordo com sua quiralidade óptica específica). Os pesquisadores, liderados por Yi Zhang, brilhou esses feixes em lajes atomicamente finas do material semicondutor cristalino MoS₂ em um substrato de dióxido de silício a granel. MoS₂ é um material óptico não linear, ou seja, pode gerar luz em uma frequência diferente da do feixe de entrada.

Zhang e seus colegas observaram a geração de um novo comprimento de onda (o sinal de saída lógico). Ao ajustar a quiralidade dos dois feixes de entrada, quatro combinações de entrada – correspondentes a (0,0), (0,1), (1,1) e (1,0) – são possíveis. No processo óptico não linear, o sinal de saída gerado é considerado como lógico 1 ou lógico 0 com base na presença ou ausência, respectivamente, desse sinal de saída.

Regras de seleção quiral

O sistema funciona graças ao fato de que o material cristalino é sensível à quiralidade dos feixes de entrada e obedece a certas regras de seleção quiral (relacionadas ao MoS₂ simetria rotacional tripla da monocamada). Essas regras determinam se o sinal de saída não linear é ou não gerado.

Usando essa abordagem, os pesquisadores foram capazes de criar portas lógicas XNOR, NOR, AND, XOR, OR e NAND ultrarrápidas (menos de 100 fs), bem como um meio-somador.

E isso não é tudo: a equipe também mostrou que um único dispositivo pode conter várias portas lógicas de quiralidade operando ao mesmo tempo em paralelo. Isso é radicalmente diferente dos dispositivos lógicos ópticos e elétricos convencionais que normalmente executam uma operação lógica por dispositivo, diz Zhang. Tais portas lógicas paralelas simultâneas podem ser usadas para construir redes e circuitos lógicos complexos e multifuncionais.

Porta lógica bate recorde de velocidade

As portas lógicas de quiralidade também podem ser controladas e configuradas eletronicamente em uma interface eletro-óptica. “Tradicionalmente, a conexão entre computação eletrônica e óptica/fotônica tem sido realizada principalmente por meio de conversão óptica para elétrica e elétrica para óptica lenta e ineficiente”, diz Zhang. Mundo da física. “Demonstramos o controle elétrico das portas lógicas de quiralidade, abrindo uma perspectiva empolgante para a primeira e direta interconexão entre computação elétrica e óptica”.

“Com base nisso, esperamos que as modalidades de computação totalmente óptica possam ser realizadas no futuro”, diz Zhang.

Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em Os avanços da ciência, agora esperam melhorar a eficiência de suas portas lógicas de quiralidade e reduzir seu consumo de energia.

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