El primer transistor completamente óptico basado en polaritones

Por Francisco R. Villatoro, el 24 enero, 2012. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Las comunicaciones ópticas son una realidad desde hace 30 años, pero la computación completamente óptica (que eliminaría del todo la optoelectrónica) es una utopía que no acaba de encontrar su presente. Llevo 20 años oyendo hablar de ella como si estuviera a punto de salir al mercado, pero aún falta algo. Quizás lo que falta es un transistor completamente óptico que sea compatible con la tecnología actual de semiconductores. Una vía prometedora se aprovechar la interacción entre polaritones y excitones, y los llamados polaritón-excitones. Me ha gustado leer en ArXiv la primera propuesta firme de un transistor completamente óptico basado en polaritón-excitones. El gran problema de los dispositivos que usan efectos ópticos no lineales es que requieren mucha potencia (o energía), pero la nueva propuesta parece resolver este asunto, aunque de forma parcial, ya que la energía de activación del nuevo transistor es de solo unos nanojulios. Además, el uso de excitones facilita la integración con tecnología semiconductora convencional en chips mixtos optoelectrónicos. ¿Qué futuro tiene esta nueva propuesta? Sobre el papel todo huele muy bien, pero con los años ya no me creo nada. Las conclusiones del artículo lo venden como la octava maravilla, pero yo, no sé, no acabo de creérmelo. Espero equivocarme. Dario Ballarini et al., “All-optical polariton transistor,” ArXiv, Subm. 19 Jan 2012.

¿Qué son los polaritones y los excitones? En física cuántica una cuasipartícula es algo que se comporta como una partícula pero no es una partícula. En un sólido, un electrón es una partícula, pero la ausencia de un electrón, un hueco, se comporta igual que un electrón pero con carga opuesta. La vibración elemental de la estructura cristalina de un sólido también se comporta como una cuasipartícula, un fonón. La excitación elemental del campo de espines de los electrones de un sólido se comporta como un magnón. Un par de Cooper en un superconductor es una cuasipartícula formada por el acoplamiento mutuo entre dos electrones de tal forma que su función de onda común se comporta como la de una partícula. De igual forma, un excitón es el resultado del acoplamiento electrostático entre un electrón y un hueco. Y un polaritón es el resultado del acoplamiento entre un campo electromagnético y un dipolo eléctrico o magnético; un polaritón-excitón es el polaritón en el que un excitón actúa como dipolo eléctrico; un polaritón-magnón es el polaritón en el que un magnón actúa como dipolo magnético. La física cuántica permite que un objeto cuántico se comporte como lo haría una partícula de tal forma que a ciertas escalas es imposible saber que no es una partícula, aunque a escalas más pequeñas se observe que en realidad no lo es.

La ventaja de los polaritón-excitones es que permiten acoplar de forma natural campos electromagnéticos (luz) con campos eléctricos (corrientes eléctricas). La gran desventaja es que se requiere mucha energía, comparada con la energía “natural” de un fotón de un sólido, para que se forma un polaritón. La polaritónica es para los polaritones lo que la electrónica es para los electrones (y huecos). Los dispositivos polaritónicos actúan en un régimen intermedio entre los fotónicos y los electrónicos, por lo que permite acoplar los unos con los otros. El problema es que este acoplamiento requiere que la parte electrónica trabaje a alta frecuencia (microondas o submicroondas) y que la parte óptica (fotónica) trabaje a alta potencia, por lo que sus aplicaciones se limitan a sistemas de radares y a sistemas de microondas vía satélite. Aún así, el primer transistor polaritónico supone un gran avance y tiene un futuro ciertamente prometedor (otra cosa es que no todas las promesas acaban cumpliéndose).



4 Comentarios

    1. Leo, supones mal; los transistores ópticos funcionan como cualquier transistor y pueden ser usados tanto en el modo de “amplificación” (control de una señal intensa mediante una señal débil) como en el modo de “conmutación” (conmutación “digital” de un señal intensa mediante una señal débil). En realidad ambos modos son la misma cosa.

  1. Espero que Francis sea demasiado escéptico, y que los transistores ópticos se abran camino. Ya no recordaba todo el asunto de la cuasipartículas cuánticas, desde 4º de carrera en la asignatura de estado sólido no lo he tocado más, lo encuentro impresionante, como toda la mecánica cuántica.

    Respecto a los comentarios de Javier, he estado a punto de no decir nada, pero deploro el uso de un blog científico para hacer política, para eso hay infinidad de blogs donde verter opiniones, y lo deploro muy especialmente cuando las ideas políticas expuestas hacen apología de la guerra y demonizan ¡a todo un pueblo! … lamentable.

    Saludos.

  2. Hola,
    Quiero hacer notar que la ganancia en polaritones (parametric optical amplifier) había sido demostrada hace más de 10 años, con la misma ganancia que en este trabajo (misma muestra?).
    Que se necesita mucha energía, pues no lo comparto, ya que viendo otros trabajos: http://arxiv.org/pdf/1111.2915v1.pdf se puede ver que se puede conmutar con un solo fotón y muy rápido.
    Saludos.

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