Los investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del King’s College de Londres superaron el obstáculo que había impedido la creación de los nanoláseres eléctricos para los circuitos integrados. El enfoque, del que se informa en un documento reciente de Nanofotónica, permite un diseño coherente de la fuente de luz a una escala no sólo cientos de veces menor que el grosor de un cabello humano, sino incluso menor que la longitud de onda de la luz emitida por el láser. Esto sienta las bases para la transferencia ultrarrápida de datos ópticos en los microprocesadores de varios núcleos que se espera que surjan en un futuro próximo.

Las señales de luz revolucionaron las tecnologías de la información en la década de 1980, cuando las fibras ópticas comenzaron a reemplazar a los cables de cobre, haciendo que la transmisión de datos fuera más rápida. Dado que la comunicación óptica se basa en la luz -ondas electromagnéticas con una frecuencia de varios cientos de terahercios- permite transferir terabytes de datos cada segundo a través de una sola fibra, superando ampliamente a las interconexiones eléctricas.

La fibra óptica es la base de la Internet moderna, pero la luz podría hacer mucho más por nosotros. Podría ponerse en acción incluso dentro de los microprocesadores de las supercomputadoras, estaciones de trabajo, teléfonos inteligentes y otros dispositivos. Esto requiere el uso de líneas de comunicación ópticas para interconectar los componentes puramente electrónicos, como los núcleos de los procesadores. Como resultado, grandes cantidades de información podrían ser transferidas a través del chip casi instantáneamente.

La eliminación de la limitación de la transmisión de datos permitirá mejorar directamente el rendimiento del microprocesador apilando más núcleos de procesador, hasta el punto de crear un procesador de 1.000 núcleos que sería virtualmente 100 veces más rápido que su homólogo de 10 núcleos, que es lo que persiguen los gigantes de la industria de los semiconductores IBM, HP, Intel, Oracle y otros. Esto a su vez hará posible diseñar una verdadera supercomputadora en un solo chip.

El desafío es conectar la óptica y la electrónica a nanoescala. Para lograrlo, los componentes ópticos no pueden ser más grandes que cientos de nanómetros, lo que es unas 100 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Esta restricción de tamaño también se aplica a los láseres en chip, que son necesarios para convertir la información de las señales eléctricas en pulsos ópticos que transportan los bits de los datos.

Sin embargo, la luz es un tipo de radiación electromagnética con una longitud de onda de cientos de nanómetros. Y el principio de incertidumbre cuántica dice que hay un cierto volumen mínimo en el que las partículas de luz, o fotones, pueden ser localizadas. No puede ser más pequeño que el cubo de la longitud de onda. En términos crudos, si uno hace un láser demasiado pequeño, los fotones no caben en él. Dicho esto, hay formas de evitar esta restricción en el tamaño de los dispositivos ópticos, que se conoce como el límite de difracción. La solución es reemplazar los fotones con plasmón-polaritones de superficie, o SPPs.

Los SPPs son oscilaciones colectivas de electrones que están confinados a la superficie de un metal e interactúan con el campo electromagnético circundante. Sólo unos pocos metales conocidos como metales plasmónicos son buenos para trabajar con SPPs: oro, plata, cobre y aluminio. Al igual que los fotones, las SPP son ondas electromagnéticas, pero a la misma frecuencia están mucho mejor localizadas, es decir, ocupan menos espacio. El uso de las SPP en lugar de los fotones permite “comprimir” la luz y así superar el límite de difracción.

El diseño de láseres plasmónicos verdaderamente a nanoescala ya es posible con las tecnologías actuales. Sin embargo, estos nanoláseres son bombeados ópticamente, es decir, tienen que ser iluminados con láseres externos voluminosos y de alta potencia. Esto puede ser conveniente para los experimentos científicos, pero no fuera del laboratorio. Un chip electrónico destinado a la producción en masa y a aplicaciones de la vida real tiene que incorporar cientos de nanoláseres y funcionar en una placa de circuito impreso ordinaria. Un láser práctico necesita ser bombeado eléctricamente, o, en otras palabras, alimentado por una batería ordinaria o una fuente de alimentación de corriente continua. Hasta ahora esos láseres sólo están disponibles como dispositivos que funcionan a temperaturas criogénicas, lo que no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones prácticas, ya que no suele ser posible mantener la refrigeración con nitrógeno líquido.

Los físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y del King’s College de Londres han propuesto una alternativa a la forma convencional en que funciona el bombeo eléctrico. Normalmente el esquema de bombeo eléctrico de los nanoláseres requiere un contacto óhmico hecho de titanio, cromo o un metal similar. Además, ese contacto tiene que ser parte del resonador – el volumen donde se genera la radiación láser. El problema con eso es que el titanio y el cromo absorben fuertemente la luz, lo que perjudica el rendimiento del resonador. Estos láseres sufren de una alta corriente de bombeo y son susceptibles de sobrecalentamiento.