Computación
¿Podrían los perovskitas ser la clave para la computación fotónica?
De lo Solar a la Fotónica
Los perovskitas son un nuevo tipo de material investigado cada vez más por su potencial en la energía solar. Los cristales semiconductores podrían ser incluso más eficaces convirtiendo la luz en electricidad que los paneles solares tradicionales basados en silicio.
Fuente: iRocks
Esta es una forma posible de mejorar la tecnología de los paneles solares, que discutimos en “La Era Solar—Un Futuro Brillante para la Humanidad”. Ahora parece que los perovskitas podrían competir con el silicio en otro campo: la computación.
A medida que los procesadores tradicionales de silicio se vuelven cada vez más pequeños, la industria busca formas de realizar la computación de manera diferente. Un método considerado es la fotónica, donde la luz, en lugar de la electricidad, es el portador de datos para realizar el cálculo. De este modo, el cálculo puede hacerse a la velocidad de la luz, reduciendo la necesidad de tantos transistores como en el cálculo electrónico tradicional.
Para lograrlo, el método propuesto para construir sistemas de computación fotónica incluye la manipulación a nanoescala basada en láser del silicio y sistemas de conversión de luz a sonido más eficientes.
La mayor parte de la tecnología fotónica se ha centrado inicialmente en soluciones basadas en silicio, ya que es, de lejos, el material mejor comprendido por la industria de fabricación de chips.
Sin embargo, tendría sentido que los perovskitas, un material conocido por su capacidad de manejar luz y electricidad simultáneamente, constituyan una excelente base para la computación fotónica.
Moldeando Cristales de Perovskita a Voluntad
Este fue el razonamiento seguido por investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia en colaboración con otras instituciones de Polonia, Italia, Islandia y Australia. Para allanar el camino a más avances en fotónica basada en perovskita, crearon una forma de “cortar” cristales de perovskita con precisión. Detallaron su método en un artículo titulado “Guías de onda de cristal de perovskita pre‑diseñadas para la condensación de excitón‑polariton a temperatura ambiente y emisión láser en el borde”.
El material que utilizaron es un tipo de perovskita llamado CsPbBr3 (bromuro de cesio‑plomo). Tiene un gran potencial para aplicaciones ópticas, gracias a la baja energía requerida para la amplificación no lineal de la luz. Esto significa que este material puede amplificar y modular la luz con muy poco consumo de energía, una de las principales ventajas de la fotónica sobre la electrónica.
Su método logró crear cristales de CsPbBr3 en cualquier forma, desde esquinas simples hasta curvas suaves. Algo normalmente muy difícil de lograr en cristalografía.
Además, estos cristales pueden producirse sobre cualquier sustrato, lo que los hace compatibles con dispositivos fotónicos preexistentes. Por lo tanto, aunque innovadores, no requieren el desarrollo de un campo totalmente nuevo de tecnología fotónica para ser útiles.
Cómo lo hicieron
Muchos de los métodos utilizados por los investigadores para cultivar los cristales de perovskita derivan de técnicas conocidas en la industria de semiconductores. Por ejemplo, emplean una concentración de solución y temperaturas de crecimiento estrictamente controladas mientras mantienen una atmósfera de vapores de solvente saturado.
Luego usaron plantillas de arseniuro de galio casi atómicamente lisas, fabricadas mediante litografía de haz de electrones y grabado por plasma. El arseniuro de galio es un material bien conocido, notablemente utilizado en la producción de luces LED.
Utilizando un enfoque microfluídico, lograron cultivar el cristal en moldes de polímero estrechos que pueden imprimirse con cualquier forma a partir de una plantilla.
¿Qué pueden hacer los perovskitas fotónicos?
Control de Potencia sobre la Luz
Los cristales también demostraron fuertes efectos ópticos no lineales. La óptica no lineal nos permite cambiar el color y la forma de un haz de luz en el espacio y el tiempo y crear los eventos más breves jamás realizados por el ser humano, todos fenómenos muy útiles para la computación fotónica.
Efectos Cuánticos
La luz emitida por el cristal de perovskita se produce a partir de un estado de la materia muy especial llamado condensado de Bose‑Einstein.
Fuente: UCSB Physics Department
Este quinto estado de la materia (además de sólido, gas, líquido y plasma) es donde muchos átomos pueden comportarse como una onda en lugar de como materia ordinaria. En ese sentido, hace que varios átomos actúen como normalmente solo lo hacen las partículas subatómicas, haciendo visibles los efectos cuánticos a una escala casi macroscópica.
Este estado de los cristales de perovskita creó un condensado de excitón‑polariton, una sub‑tipo específica de condensado de Bose‑Einstein.
Gracias a las propiedades únicas de las estructuras de perovskita, el condensado puede viajar largas distancias dentro de los cristales, y la luz emitida puede propagarse a través de espacios de aire hacia estructuras vecinas.
Dr. Helgi Sigurðsson - Facultad de Física Universidad de Varsovia
Poder crear y manipular a voluntad estos condensados de Bose‑Einstein brinda a los científicos la posibilidad de emitir y dispersar luz de manera muy precisa.
Esto será realmente útil para desarrollar chips fotónicos fiables y de alto rendimiento.
Simulaciones para una Mejor Predicción
El artículo de investigación también explica cómo, gracias a cálculos complejos, pudieron crear una simulación de estructuras 3D de forma compleja, y su impacto en los modos fotónicos, mostrando cómo se forma su imagen.
“El descubrimiento permite su uso en sistemas compactos “on‑chip” que pueden manejar tanto tareas de computación clásica como cuántica.
Prevemos que nuestros descubrimientos abrirán la puerta a futuros dispositivos que puedan operar al nivel de fotones individuales, integrando nanolasers con guías de onda y otros elementos en un solo chip.”
Prof. Michał Matuszewski - Centro de Física Teórica de la Academia Polaca de Ciencias
Así, el trabajo futuro podrá predecir efectos ópticos útiles para la fotónica y la transmisión de datos sin señales eléctricas.
Aplicaciones Futuras
Computadora Fotónico‑Cuántica
Una ventaja clave de usar estos descubrimientos en perovskitas es que estos cristales pueden utilizarse a temperatura ambiente.
Esto es muy importante, ya que normalmente los efectos de los condensados de Bose‑Einstein solo son observables a temperaturas apenas superiores al cero absoluto, lo que evidentemente los hace mucho menos prácticos y útiles para cualquier computación “normal”.
Esto también podría difuminar la frontera entre la computación cuántica y la fotónica, con posibles sistemas informáticos futuros que utilicen ambos simultáneamente.
Esto incluye conceptos muy avanzados como la fotónica no lineal como guías de onda, acopladores, divisores y moduladores.
Computación de Silicio‑Perovskitas
Otra cualidad de estos nuevos cristales de perovskita afinados es su compatibilidad con sustratos de silicio y arseniuro de galio. Por lo tanto, pueden combinarse fácilmente con las tecnologías de semiconductores de silicio y otros materiales existentes.
Esto podría reducir considerablemente la brecha entre la tecnología informática actual y la adopción de la fotónica, con la fotónica siendo desarrollada y adoptada primero para aplicaciones limitadas, en lugar de requerir primero un tipo totalmente nuevo de conjunto tecnológico paralelo.
Invertir en Perovskita y Fotónica
Gracias a aplicaciones preexistentes en energía solar y computación, ya se puede invertir en perovskitas y fotónica, aunque se encuentren en la vanguardia de la ciencia de materiales y la innovación informática.
Puedes invertir en empresas de fotónica a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, puedes encontrar nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia y el Reino Unido, así como en muchos otros países.
Si no te interesa seleccionar empresas de fotónica específicas, también puedes considerar ETFs como Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY), que ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar la industria fotónica.
También puedes leer nuestro artículo sobre los “Top 10 Empresas de Computación No‑Silicio”.
Empresas de Fotónica
1. JABIL
(JBL )
A finales de 2023, Intel decidió desinvertir su negocio de fotónica a la empresa de fabricación de semiconductores Jabil (JBL).
Más concretamente, adquirió la tecnología de transceptores de fotónica de silicio de Intel, que puede cerrar la brecha entre señales ópticas y señales electrónicas en silicio.
“Los módulos de Intel se utilizan para conectar conmutadores Ethernet en grandes centros de datos, pero a medida que la demanda de ancho de banda aumenta la empresa espera que la fotónica de silicio co‑empaquetada con ASICs de conmutación proporcione la densidad de ancho de banda necesaria para escalar las redes de futuros centros de datos.
Jabil está extremadamente bien posicionada para apoyar a los clientes mientras incorporan tecnologías innovadoras en sus centros de datos para afrontar los crecientes requisitos de energía y refrigeración impulsados por la inteligencia artificial.”
Matt Crowley, vicepresidente senior de nube e infraestructura empresarial de Jabil
Esto aportó IP adicional al departamento fotónico de la empresa, que ya está comercializando tecnologías basadas en fotónica:
- Soluciones de acoplamiento de fibra: alineación activa, alineación pasiva, fibra única, matriz de fibras.
- Soluciones de ensamblaje: pick‑and‑place, unión de dado, unión por alambre, flip chip, reflow.
- Aplicación y gestión de epoxi: selección, caracterización, dispensado.
- Soluciones de encapsulado: caja de oro, dam‑and‑fill, glob‑top.
- Óptica de espacio libre: lentes/matrices de lentes, modeladores de haz, divisores, difusores, guías de onda.
Jabil tiene un negocio diversificado, con ingresos multimillonarios provenientes de fabricantes de automóviles, salud y empaques, empresas industriales, 5G inalámbrico, etc., alcanzando un total de 27,5 mil millones de dólares en ingresos en 2024.
La empresa podría beneficiarse enormemente de una mejor tecnología fotónica, considerando su papel preexistente en la producción de divisores, modeladores, etc., para matrices de luz.
La IP de Intel también podría ayudar a cerrar la brecha entre el silicio y la luz emitida por los cristales de perovskita.
A medida que la demanda de interconexión de chips crece para aplicaciones de IA, esto podría ser el primer gran avance de la fotónica, con un papel en la interconexión (todavía) de la computación basada en silicio con la red óptica basada en fotónica.
2. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26 000 empleados y líder en tecnología láser, resultante de la fusión del material avanzado II‑VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.
La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.
Creció en gran medida gracias a múltiples adquisiciones durante la última década.
Fuente: Coherent
La empresa obtiene el 29 % de sus ingresos de los láseres, y el resto está vinculado a equipos asociados como fibra óptica, electrónica e instrumentación.
Fuente: Coherent
La presencia de la empresa en materiales avanzados como termofotovoltaicos (que discutimos en un artículo anterior), carburo de silicio, láseres y electrónica le ayuda a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.
Recientemente, la empresa ha separado su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad en un 75 % de Coherent, y el resto en partes iguales por sus socios Mitsubishi Electric (que aporta la IP de potencia de carburo de silicio) y Denso (que aporta su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).
