IMP de Óptica Cuántica

Determinan la velocidad máxima de proceso para un microchip

17. Marzo 2022

La velocidad máxima de transmisión de señales en los microchips se sitúa en aproximadamente un petahercio (un millón de gigahercios), unas 100.000 veces más rápida que los transistores actuales.    Físicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y las Universidades Tecnológicas de Viena y Graz han publicado recientemente este hallazgo en la revista científica Nature Communications.

Sin embargo, es cuestionable si se pueden producir chips de computadora de esta velocidad máxima.    La microelectrónica persigue dos enfoques para hacer que las computadoras sean más rápidas. Por un lado, se está trabajando para que los componentes sean cada vez más pequeños para que la transmisión de datos (ruta de la señal de A a B) literalmente "no tarde tanto". El límite físico de esta miniaturización es el tamaño de un átomo. Un circuito no puede ser físicamente más pequeño.

La segunda posibilidad para una transmisión de datos más rápida es acelerar las señales de conmutación de los propios transistores. Estos son los componentes de los microchips que bloquean o permiten que fluya la corriente. Y aquí es donde entró la investigación del grupo de física germano-austríaco.

Rápido en este caso significa "alta frecuencia", como explica en un comunicado Martin Schultze, autor principal y director del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz): "Cuanto más rápido quieras ir, más alta frecuencia". la señal electromagnética tiene que serlo, y en algún momento entramos en el rango de la frecuencia de la luz, que también puede considerarse o usarse como una señal electromagnética".

Esto sucede, por ejemplo, en optoelectrónica, donde la luz se usa para excitar los electrones en el semiconductor desde la banda de valencia (el área donde normalmente residen los electrones) a la banda de conducción, de modo que cambia del estado aislado al conductor. La energía de excitación está determinada por el propio material semiconductor. Se encuentra en el rango de frecuencia de la luz infrarroja, que en última instancia también corresponde a la velocidad máxima alcanzable que se puede alcanzar con dichos materiales.    

Los materiales dieléctricos (como el vidrio o la cerámica) podrían superar estas limitaciones, ya que requieren mucha más energía para ser excitados en comparación con los semiconductores. A su vez, más energía permite el uso de luz de mayor frecuencia y, por lo tanto, una transmisión de datos más rápida

Desafortunadamente, sin embargo, los materiales dieléctricos no pueden conducir electricidad sin romperse, como ilustra Marcus Ossiander, primer autor del estudio y actualmente investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard: "Por ejemplo, si aplica un campo electromagnético al vidrio para que conduzca electricidad, esto generalmente hace que el vidrio se rompa y deje un agujero".

La solución que eligió el grupo de investigación para sus investigaciones fue mantener el pulso de voltaje aplicado o la frecuencia de conmutación tan corta que el material no tiene tiempo de romperse en absoluto.

Específicamente, los físicos utilizaron un pulso láser ultracorto con una frecuencia en el rango ultravioleta extremo para sus investigaciones. Bombardearon una muestra de fluoruro de litio con este pulso láser. El fluoruro de litio es dieléctrico y tiene la banda prohibida más grande de todos los materiales conocidos. Esta es la distancia entre la banda de valencia y la banda de conducción.

El pulso láser ultracorto llevó a los electrones del fluoruro de litio a un estado más energético para que pudieran moverse libremente. De esta manera, el material se convirtió brevemente en un conductor eléctrico. Un segundo pulso láser ligeramente más largo dirigió los electrones excitados en la dirección deseada, creando una corriente eléctrica que luego podría detectarse con electrodos en ambos lados del material.

Las mediciones proporcionaron respuestas a las preguntas de qué tan rápido reaccionó el material al pulso ultracorto del láser, cuánto tomó la generación de la señal y cuánto tiempo se debe esperar hasta que el material pueda exponerse a la siguiente señal. "Se deduce que alrededor de un petahercio hay un límite superior para los procesos optoelectrónicos controlados", dice Joachim Burgförder del Instituto de Física Teórica de TU Wien.

Esto, por supuesto, no significa que los chips de computadora se puedan producir con una frecuencia de reloj de poco menos de un petahercio. Pero una cosa es segura: por ahora, la optoelectrónica no será más rápida de lo que se mostró en los experimentos. Lo cerca que llegarán las tecnologías futuras de este límite está escrito en las estrellas.





 
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