I Perovskiti Potrebbero Essere la Chiave per il Calcolo Fotonic?

Dal Solare alla Fotonica

Perovskiti sono un nuovo tipo di materiale sempre più studiato per il suo potenziale nell’energia solare. I cristalli semiconduttori potrebbero essere ancora più potenti nella conversione della luce in elettricità rispetto ai tradizionali pannelli solari a base di silicio.

Fonte: iRocks

Questo è un modo possibile per migliorare la tecnologia dei pannelli solari, di cui abbiamo discusso in “L’Era Solare — Un Futuro Luminoso per l’Umanità”. Ora sembra che i perovskiti possano potenzialmente competere con il silicio in un altro campo: il calcolo.

Man mano che i tradizionali processori in silicio diventano sempre più piccoli, l’industria cerca modi diversi per eseguire il calcolo. Uno di questi metodi considerati è la fotonica, dove la luce invece dell’elettricità è il vettore dei dati per eseguire il calcolo. In questo modo, il calcolo può avvenire alla velocità della luce, riducendo la necessità di tanti transistor come nel calcolo elettronico tradizionale.

Per farlo, il metodo proposto per costruire sistemi di calcolo fotonico include la manipolazione nanoscale basata su laser del silicio e sistemi migliori di conversione luce‑suono.

La maggior parte della tecnologia fotonica è stata inizialmente concentrata su soluzioni a base di silicio, poiché è di gran lunga il materiale più compreso dall’industria della fabbricazione di chip.

Tuttavia, ha senso che i perovskiti, materiale noto per la sua capacità di gestire luce ed elettricità contemporaneamente, possano costituire una solida base per il calcolo fotonico.

Modellare i Cristalli di Perovskite a Piacere

Questo è il ragionamento seguito dai ricercatori della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia in collaborazione con altre istituzioni di Polonia, Italia, Islanda e Australia. Per aprire la strada a ulteriori progressi nella fotonica basata sui perovskiti, hanno ideato un metodo per “tagliare” i cristalli di perovskite con precisione. Hanno descritto il loro metodo in un articolo intitolato “Guida di perovskite pre-progettata per guide d’onda di cristallo per la condensazione di ecciton–polariton a temperatura ambiente e lasing al bordo”.

Il materiale che hanno usato è un tipo di perovskite chiamato CsPbBr3 (cesio‑piombo‑bromuro). Ha un grande potenziale per le applicazioni ottiche, grazie alla bassa energia richiesta per l’amplificazione non lineare della luce. Ciò significa che questo materiale può amplificare e modulare la luce con un consumo energetico molto ridotto, uno dei principali vantaggi della fotonica rispetto all’elettronica.

Il loro metodo è riuscito a creare cristalli di CsPbBr3 in qualsiasi forma, da angoli semplici a curve lisce. Qualcosa di solito molto difficile da ottenere in cristallografia.

Inoltre, questi cristalli possono essere prodotti su qualsiasi substrato, rendendoli compatibili con dispositivi fotonici preesistenti. Quindi, sebbene innovativi, non richiedono lo sviluppo di un intero nuovo campo della tecnologia fotonica per diventare utili.

Come Hanno Fatto

Molti dei metodi utilizzati dai ricercatori per far crescere i cristalli di perovskite derivano da tecniche note all’industria dei semiconduttori. Per esempio, usano concentrazioni di soluzione e temperature di crescita strettamente controllate, mantenendo un’atmosfera di vapori di solvente saturi.

Successivamente hanno impiegato stampi di arsenico di gallio quasi atomicamente lisci, realizzati mediante litografia a fascio di elettroni e incisione al plasma. L’arsenico di gallio è un materiale ben noto, in particolare utilizzato nella produzione di LED.

Utilizzando un approccio microfluidico, sono riusciti a far crescere il cristallo in stampi polimerici stretti che possono essere impressi con qualsiasi forma a partire da un modello.

Cosa Possono Fare i Perovskiti Fotonic?

Controllo della Potenza sulla Luce

I cristalli hanno inoltre dimostrato forti effetti ottici non lineari. L’ottica non lineare ci permette di modificare colore e forma di un fascio di luce nello spazio e nel tempo e di creare gli eventi più brevi mai realizzati dall’uomo — tutti fenomeni molto utili per il calcolo fotonico.

Effetti Quantistici

La luce emessa dal cristallo di perovskite è prodotta da uno stato della materia molto speciale chiamato condensato di Bose-Einstein.

Fonte: UCSB Physics Department

Questo è il quinto stato della materia (oltre a solido, gas, liquido e plasma) in cui molti atomi possono comportarsi come un’onda anziché come materia ordinaria. In tal senso, fa sì che più atomi si comportino come normalmente solo le particelle sub‑atomiche, rendendo gli effetti quantistici visibili a una scala quasi macroscopica.

Questo stato dei cristalli di perovskite ha creato un condensato ecciton‑polariton, una sottocategoria specifica del condensato di Bose‑Einstein.

Quindi, gli effetti non lineari osservati sono probabilmente legati alle interazioni all’interno del condensato.

Grazie alle proprietà uniche delle strutture di perovskite, il condensato può viaggiare per lunghe distanze all’interno dei cristalli, e la luce emessa può propagarsi attraverso spazi d’aria verso strutture vicine.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Essere in grado di creare e manipolare a piacere questi condensati di Bose‑Einstein offre agli scienziati la possibilità di emettere e diffondere luce in modo molto preciso.

Ciò sarà davvero utile per sviluppare chip fotonici affidabili e ad alte prestazioni.

Simulazioni per una Migliore Predizione

Il documento di ricerca spiega anche come, grazie a calcoli complessi, siano riusciti a creare una simulazione di strutture 3D di forma complessa, il loro impatto sui modi fotonici e a mostrare come si forma la loro immagine.

“La scoperta consente il loro utilizzo in sistemi “on‑chip” compatti che possono gestire sia compiti di calcolo classico sia quantistico.

Prevediamo che le nostre scoperte apriranno la porta a dispositivi futuri che potranno operare a livello di singoli fotoni, integrando nanolaser con guide d’onda e altri elementi su un unico chip.

Prof. Michał Matuszewski – Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences

Ciò significa che lavori futuri potranno prevedere effetti ottici utili per la fotonica e la trasmissione dati senza segnali elettrici.

Applicazioni Future

Computer Fotonic‑Quantistico

Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo di queste scoperte sui perovskiti è che questi cristalli possono essere usati a temperatura ambiente.

Ciò è molto importante, poiché normalmente gli effetti dei condensati di Bose‑Einstein sono osservabili solo a temperature appena sopra lo zero assoluto, il che li rende ovviamente molto meno pratici e utili per qualsiasi calcolo “normale”.

Questo potrebbe anche sfumare il confine tra calcolo quantistico e fotonica, con eventuali sistemi informatici futuri che utilizzano entrambi contemporaneamente.

Ciò include concetti molto avanzati come la fotonica non lineare in forma di guide d’onda, accoppiatori, splitter e modulatori.

Calcolo Silicon‑Perovskiti

Un’altra caratteristica di questi nuovi cristalli di perovskite finemente ottimizzati è la loro compatibilità con substrati di silicio e arsenico di gallio. Pertanto possono essere combinati facilmente con le tecnologie semiconduttori esistenti basate su silicio e altri materiali.

Ciò potrebbe ridurre notevolmente il divario tra la tecnologia informatica attuale e l’adozione della fotonica, con la fotonica sviluppata e adottata prima per applicazioni limitate, invece di richiedere dapprima un intero nuovo insieme di tecnologie parallele.

Investire in Perovskiti e Fotonica

Grazie alle applicazioni preesistenti nel solare e nel calcolo, perovskiti e fotonica possono già essere oggetto di investimento, anche se si trovano ancora ai margini delle scienze dei materiali e dell’innovazione informatica.

Puoi investire in aziende fotoniche tramite molti broker e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli USA, Canada, Australia, e Regno Unito, come anche in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere aziende fotoniche specifiche, puoi anche considerare ETF come Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sull’industria fotonica.

Puoi anche leggere il nostro articolo su “Top 10 delle Aziende di Calcolo Non‑Silicio”.

Aziende Fotonic

1. JABIL

Alla fine del 2023, Intel (INTC ) ha deciso di cedere la sua attività fotonica alla produzione di semiconduttori Jabil (JBL).

Più precisamente, ha acquisito la tecnologia di transceiver fotonico in silicio di Intel, che può colmare il divario tra segnali ottici ed elettronici sul silicio.

Fonte: TrendForce

“I moduli di Intel sono usati per collegare switch Ethernet in grandi data center, ma con l’aumento della domanda di larghezza di banda l’azienda prevede che la fotonica in silicio co‑packaged con ASIC per switch fornirà la densità di larghezza di banda necessaria per scalare le future reti dei data center.

Jabil è estremamente ben posizionata per supportare i clienti mentre integrano tecnologie innovative nei loro data center per gestire i crescenti requisiti di potenza e raffreddamento guidati dall’intelligenza artificiale.

Matt Crowley, Jabil’s senior VP of cloud and enterprise infrastructure

Ciò ha portato IP aggiuntivo al dipartimento fotonico dell’azienda, che sta già commercializzando tecnologie basate sulla fotonica:

• Soluzioni di collegamento fibra: allineamento attivo, allineamento passivo, fibra singola, array di fibre.
• Soluzioni di assemblaggio: pick-and-place, die bond, wire bond, flip chip, reflow.
• Applicazione e gestione dell’epossidica: selezione, caratterizzazione, dispensazione.
• Soluzioni di incapsulamento: gold box, dam-and-fill, glob-top.
• Ottica in spazio libero: Lenti/array di lenti, modellatori di fascio, splitter, diffusori, guide d’onda.

Jabil ha un business diversificato, con ricavi multimiliardari provenienti da case automobilistiche, sanità e imballaggi, aziende industriali, wireless 5G, ecc. Per un totale di 27,5 miliardi di dollari di ricavi nel 2024.

L’azienda potrebbe trarre grandi benefici da una migliore tecnologia fotonica, considerando il suo ruolo preesistente nella produzione di splitter, shaper, ecc. per array di luce.

L’IP di Intel potrebbe anche aiutare a colmare il divario tra il silicio e la luce emessa dai cristalli di perovskite.

Poiché la domanda di interconnessione dei chip sta crescendo per le applicazioni AI, questo potrebbe rappresentare la prima grande svolta della fotonica, con un ruolo nell’interfaccia (ancora) del calcolo basato su silicio con la rete ottica basata sulla fotonica.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e leader nella tecnologia laser, risultato della fusione del materiale avanzato II‑VI Marlow con il produttore di laser Coherent.

L’azienda è esperta in materiali avanzati utilizzati in laser, ottica e fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arsenico di gallio.

È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio.

Fonte: Coherent

L’azienda ricava il 29 % dei suoi ricavi dai laser, con il resto legato a apparecchiature associate come fibra ottica, elettronica e strumentazione.

Fonte: Coherent

La presenza dell’azienda in materiali avanzati come i termofotovoltaici (di cui abbiamo discusso in un articolo precedente), carburo di silicio, laser ed elettronica le consente di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della manifattura additiva (stampa 3D), dell’elettrificazione e delle energie rinnovabili.

L’azienda ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 % da Coherent, con il restante posseduto equamente dai suoi partner Mitsubishi Electric (che porta la proprietà intellettuale del carburo di silicio per l’energia) e Denso (che porta la sua attività come fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza).