Eccitoni: il punto di collegamento tra trasmissione fotonica ed elettronica

Abbiamo avuto modo più volte di parlare su Hardware Upgrade di nuove tecnologie nell'ambito della trasmissione fotonica dei segnali, cioè dove l'informazione viene veicolata attraverso la luce e non attraverso gli elettroni, come avviene nei circuiti integrati tradizionali.

Quando due sistemi di trasmissione, elettronica e fotonica, si trovano a dover operare in uno stesso contesto diviene necessaria la presenza di un dispositivo che provveda a convertire i segnali ottici in elettronici e viceversa. Operazione che spesso rappresenta il principale collo di bottiglia nell'interazione tra trasmissione elettronica e fotonica.

Una soluzione al problema è attualmente allo studio presso i laboratori dell'UC San Diego, dove un gruppo di scienziati guidati dal professor Leonid Butov ha messo a punto un particolare tipo di transistor basato su eccitoni che promette di fornire quell'anello mancante tra trasmissione fotonica e trasmissione elettronica.

Gli eccitoni sono formalmente definiti come "quasiparticelle" che, in modo particolare nei semiconduttori e negli isolanti, sono determinati da una coppia di elettrone e lacuna interagenti tra loro mediante una forza elettrostatica. L'eccitone si forma, in un semiconduttore, quando un fotone colpisce un elettrone e ne causa la promozione dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando nella banda di valenza una lacuna positiva che resta legata all'elettrone grazie alla forza di Coulomb. Elettrone e lacuna rimangono legati dalla forza elettrostatica e vengono considerate un'entità unica (l'eccitone, appunto) prima di ricombinarsi cedendo l'energia di eccitazione riemettendo un fotone.

La prima esigenza a cui far fronte, con questo approccio, è quella di poter controllare il flusso degli eccitoni all'interno del semiconduttore prevenendo una ricombinazione anzitempo di elettrone e lacuna. A questo scopo Butov e il suo team hanno sperimentato l'impiego di un particolare tipo di eccitoni, dove l'elettrone e la sua lacuna sono confinati in due pozzi quantici (due buche di potenziale) differenti distanti tra loro alcuni nanometri. Questo particolare approccio permette di poter controllare, all'interno di un semiconduttore, il flusso di eccitoni applicando un'opportuna differenza di potenziale ai due elettrodi.

Quando l'eccitone giunge all'emettitore del transistor, si ricombina ed emette un fotone (un lampo di luce) che può ora essere adeguatamente raccolto da un supporto di trasmissione ottico. In questo modo viene eliminata la necessità di effettuare una conversione tra i due tipi di segnali, dal momento che ciò avviene direttamente all'interno del transistor.

Il gruppo di ricerca ha realizzato alcuni circuiti integrati collegando tra loro transistor ad eccitoni per dar luogo a differenti tipi di interruttori in grado di direzionare i segnali accuratamente su uno o più percorsi. Il tempo di switching è stato rilevato nell'ordine dei 200 picosecondi. A tal proposito Butov ha dichiarato: "La pura velocità di computazione non è così elevata, ma è sulla trasformazione dei fotoni dove guadagnamo velocità". In questo modo è possibile conseguire una maggiore velocità di trasmissione dati tra sistemi differenti o chip differenti collegati da connessioni ottiche. Butov ha comunque assicurato che è possibile abbassare ulteriormente il tempo di switching, sebbene ancora non sia possibile prevedere su quale ordine di grandezza.

Per la realizzazione dei circuiti dimostrativi, il gruppo di scienziati ha impiegato un semiconduttore di arseniuro di gallio, che tuttavia può operare solamente attorno ai -233°C. A temperature superiori, in questa struttura, gli elettroni non potrebbero accoppiarsi alle lacune per formare gli eccitoni. A questo punto sarà valutata la possibilità di utilizzare differenti materiali al fine di poter incrementare la temperatura di operatività.

Fonte: Technology Review