Cientistas usam neodímio para criar nanocristais para computação na velocidade da luz

Uma equipe internacional de cientistas deu um passo decisivo em direção a uma inteligência artificial e ao processamento de dados em geral mais rápidos e eficientes em termos energéticos, ao descobrir nanocristais luminescentes que podem alternar rapidamente entre estados brilhantes e desligados. Isso abre a possibilidade de calcular literalmente na velocidade da luz, abandonando os elétrons e passando a usar fótons em microcircuitos.

Fonte da imagem: geração AI Kandinsky 3.1/avalanche noticias

«As excepcionais capacidades de comutação e memória destes nanocristais poderão um dia tornar-se parte integrante da computação óptica, uma forma de processar e armazenar informações rapidamente usando as partículas mais leves que se movem mais rapidamente no universo”, disse Artiom Skripka, professor assistente na Faculdade de Ciências. na Universidade Estadual de Oregon. O trabalho de pesquisa foi publicado em 3 de janeiro de 2025 na revista Nature Photonics.

O estudo examina as capacidades das nanopartículas com características semelhantes às de uma avalanche. Tais materiais apresentam propriedades extremamente não lineares, em particular propriedades de emissão de luz. Um pequeno aumento no poder da radiação excitante pode aumentar significativamente a intensidade do seu próprio brilho. Isso pode ser usado para economizar energia na operação de circuitos – basta levar as nanopartículas a um estado próximo à excitação semelhante a uma avalanche e então trabalhar com apenas pequenas porções de energia para a fonte de excitação.

Os pesquisadores estudaram nanocristais compostos de potássio, cloro e chumbo e dopados com neodímio. Os próprios nanocristais KPb2Cl5 não interagem com a luz. Quando combinado com o neodímio, o material começa a processar sinais de luz de forma eficaz, tornando-o útil para optoeletrônica, tecnologias de laser e outras soluções ópticas.

«Normalmente, os materiais luminescentes emitem luz quando são expostos a um laser, mas permanecem escuros quando não o são, disse Skrypka. “Pelo contrário, ficamos surpresos ao descobrir que nossos nanocristais levam vidas paralelas. Sob certas condições, eles exibem um comportamento peculiar: podem ser claros e escuros exatamente no mesmo comprimento de onda e potência do laser.”

Esse comportamento é chamado de biestabilidade óptica intrínseca. A biestabilidade óptica inerente aos nanocristais é um passo em frente em direção a circuitos integrados fotônicos que podem superar os sistemas eletrônicos e optoeletrônicos atuais e ter maior eficiência.

Fonte da imagem: Artiom Skripka, Faculdade de Ciências da OSU

«Se os cristais estiverem inicialmente escuros, precisamos de uma potência de laser mais elevada para os ligar e observar a emissão, mas assim que começarem a emitir, podemos observar a sua emissão com uma potência de laser mais baixa do que precisávamos para os ligar inicialmente, diz Skripka. “É como andar de bicicleta: você precisa pressionar os pedais com força para fazê-la se mover, mas quando ela começa a se mover, você precisa de menos esforço para se mover.” E seu brilho pode ser ligado e desligado abruptamente, como se você apertasse um botão.”

A transição para sinais ópticos promete reduzir significativamente o consumo de plataformas de computação fotônica onde quer que sejam utilizadas. É também o caminho para novas aplicações em medicina, sensores e muitas outras áreas. Mas a fase de pesquisa ainda não está concluída. Será necessário muito mais trabalho para chegar aos produtos comerciais.