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Investigadores de la Universidad de Pensilvania y de la Universidad Estatal de Montana presentaron un interruptor totalmente óptico hecho con MoSe₂ y nanocavidad fotónica, capaz de controlar luz con energía cercana a 4 femtojoules y operar en escala de pocos picosegundos, abriendo camino para chips fotónicos orientados a IA, computación neuromórfica y tecnologías cuánticas.
Un interruptor controlado por luz alcanzó conmutación totalmente óptica usando cerca de 4 femtojoules de energía, avance descrito en 2026 en la Physical Review Letters por investigadores de Pensilvania y de Montana para futuros chips fotónicos de IA.
Interruptor usa luz para controlar luz
La propuesta busca enfrentar un obstáculo central de la computación totalmente óptica: hacer que los fotones interactúen entre sí. En sistemas electrónicos, las operaciones lógicas dependen del movimiento de electrones. En dispositivos fotónicos, el objetivo es procesar información usando luz.
Este camino interesa porque la luz puede viajar más rápidamente y generar menos calor que los electrones en movimiento. Aun así, los fotones normalmente no interactúan, lo que dificulta construir componentes capaces de alternar señales luminosas con bajo consumo.
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El grupo trabajó con un sistema basado en diseleniuro de molibdeno, o MoSe₂, un semiconductor 2D formado por una única capa. El material fue combinado con una nanocavidad de cristal fotónico, estructura diseñada para confinar luz en escala extremadamente pequeña.
Cómo el MoSe₂ crea interacciones entre fotones
El funcionamiento depende de los excitón-polaritones, cuasipartículas híbridas formadas cuando los fotones se acoplan a excitones, pares ligados de electrones y huecos dentro del semiconductor. Este estado combina propiedades de la luz y de la materia.
Por su parte luminosa, los polaritones pueden propagarse a alta velocidad. Por la parte material, heredada de los excitones, pasan a presentar interacciones que permiten alterar el comportamiento óptico del sistema con poca energía.
La nanocavidad actúa como una trampa precisa para la luz. Al confinar los polaritones en una región de sublongitud de onda, aumenta la fuerza de interacción entre las partículas y amplía las respuestas ópticas no lineales.
En el estudio, la monocapa de MoSe₂ ajustable por carga fue acoplada a una nanocavidad planar de cristal fotónico. La resonancia excitónica del material favoreció la hibridación robusta entre excitones y fotones.
El resultado puede ayudar a los chips fotónicos de IA
El experimento demostró la conmutación totalmente óptica del espectro de la cavidad con energías de excitación tan bajas como aproximadamente 4 femtojulios. El artículo afirma que este valor está varias órdenes de magnitud por debajo de los límites reportados anteriormente en sistemas 2D de excitón-polaritones.
El análisis por espectroscopía pump-probe indicó operación en escala ultrarrápida, de pocos picosegundos. Este tiempo refuerza el potencial del interruptor para plataformas fotónicas integradas que requieren respuesta rápida y baja energía.
Li He, profesor asistente de la Universidad Estatal de Montana y autor principal del estudio, afirmó a Tech Xplore que la motivación era avanzar la computación totalmente óptica, área que busca procesar información con luz, no electricidad.
La plataforma fue pensada para integración a gran escala
Además del rendimiento, los investigadores destacan la posibilidad de producción en masa. La plataforma utiliza materiales y estructuras que pueden ser estandarizados por técnicas de fabricación estándar, lo que favorece la integración en circuitos fotónicos más grandes.
Este enfoque puede abrir espacio para chips con miles de componentes ópticos interactivos. Entre las aplicaciones mencionadas están la computación neuromórfica totalmente óptica, el procesamiento de información fotónica cuántica y el hardware de alta velocidad para modelos de inteligencia artificial.
El límite de 4 femtojulios aún no representa una barrera física fundamental. El equipo afirma tener caminos para reducir este nivel en órdenes de magnitud y explorar el régimen cuántico, donde un solo fotón podría controlar a otro.
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