Créditos: Imagen cortesía de Jelena Vučković

Como tema de la conferencia Mildred S. Dresselhaus de 2021, la profesora de la Universidad de Stanford, Jelena Vučković, planteó una pregunta: ¿Son las computadoras mejores que los humanos en el diseño de fotónica?

A lo largo de su charla, presentada el 15 de noviembre en un formato híbrido a más de 500 asistentes, la profesora Jensen Huang de Liderazgo Global en la Escuela de Ingeniería de Stanford ofreció múltiples ejemplos argumentando que, sí, el software de computadora puede ayudar a identificar mejores soluciones que los métodos tradicionales. lo que lleva a dispositivos más pequeños y eficientes, así como a funcionalidades completamente nuevas.

La fotónica, la ciencia de guiar y manipular la luz, se utiliza en muchas aplicaciones como interconexiones ópticas, plataformas de computación óptica para IA o computación cuántica, lentes de realidad aumentada, biosensores, sistemas de imágenes médicas y sensores en vehículos autónomos.

Para todas estas aplicaciones, dijo Vučković, muchos componentes ópticos deben estar integrados en un chip que pueda caber en la huella de sus gafas o dispositivo móvil. Desafortunadamente, los problemas con la integración fotónica de alta densidad son varios. Los componentes fotónicos tradicionales son grandes, sensibles a errores de fabricación y factores ambientales como variaciones de temperatura, y están diseñados por ajuste manual con pocos parámetros. Entonces, Vučković y su equipo preguntaron: "¿Cómo podemos diseñar una mejor fotónica?"

Su respuesta: diseño fotónico inverso. En este proceso, los científicos confían en herramientas informáticas sofisticadas y plataformas informáticas modernas para descubrir soluciones fotónicas óptimas o diseños de dispositivos para una función en particular. En este proceso inverso, el investigador primero considera cómo le gustaría que operara el bloque fotónico, luego usa software de computadora para buscar en todo el espacio de parámetros de posibles soluciones para la que es óptima, dentro de las restricciones de fabricación.

Desde guiar la luz alrededor de las esquinas hasta dividir los colores de la luz en un espacio compacto, Vučković presentó varios ejemplos para demostrar que este proceso funciona: el uso de software de computadora para realizar búsquedas guiadas por la física de numerosas posibilidades produce soluciones no tradicionales que aumentan la eficiencia y / o disminuyen la huella de dispositivos fotónicos.

Habilitación de nuevas funcionalidades: física de altas energías

Los aceleradores de partículas de última generación, que utilizan microondas u ondas de radiofrecuencia para impulsar partículas cargadas, pueden tener el tamaño de una manzana completa; El SLAC National Accelerator Lab de Stanford, por ejemplo, tiene dos millas de largo. Los aceleradores de menor energía, como los que se utilizan en las instalaciones de radiación médica, no son tan grandes, pero aún ocupan una habitación entera, son caros y poco accesibles. “Si pudiéramos usar un espectro diferente de ondas electromagnéticas con longitudes de onda más cortas para hacer la misma función de acelerar partículas”, dijo Vučković, “deberíamos, en principio, poder reducir el tamaño de un acelerador”. La solución no es tan simple como reducir el tamaño de todas las piezas, ya que los bloques de construcción electromagnéticos no funcionarán para las ondas ópticas. En cambio, Vučković y su equipo utilizaron el proceso de diseño inverso para crear nuevos bloques de construcción,y construyó un acelerador de partículas con controlador láser integrado en chip de una sola etapa que tiene solo 30 micrómetros de longitud.

Una pieza de silicio fabricado de unos pocos micrómetros de largo que actúa como una etapa compacta de un acelerador de partículas y acelera los electrones al interactuar con un campo láser acoplado. Esta estructura puede encoger los aceleradores lineales de millas a una pulgada en un chip de silicio.

Imagen cortesía de Jelena Vučković.

Aplicar fotónica de diseño inverso a entornos prácticos

Los vehículos autónomos tienen un gran sistema lidar en el techo que aloja la mecánica que permite la rotación de una viga para escanear el entorno. Vučković considera cómo podría mejorarse esto. "¿Puede hacer este sistema dentro de la huella de un solo chip, que sería como otro sensor en su automóvil, y puede ser económico?" A través del diseño inverso, su grupo de investigación encontró estructuras fotónicas óptimas para permitir la dirección del rayo con láseres económicos que son más baratos y logran 5 grados de dirección adicional del rayo que los sistemas de última generación.

A continuación: escalar procesadores cuánticos superconductores en un solo chip de carburo de silicio o diamante. En este ejemplo, Vučković se remonta a la Conferencia Dresselhaus de 2020 impartida por la profesora de Harvard Evelyn Hu sobre el aprovechamiento de los defectos a nanoescala. Al depender de las impurezas en estos materiales a bajas concentraciones, los átomos atrapados naturalmente pueden ser muy útiles para aplicaciones cuánticas. El grupo de Vučković está trabajando en desarrollos de materiales y técnicas de fabricación que les permitan colocar estos átomos atrapados en las posiciones deseadas con defectos mínimos.

“Para muchas aplicaciones, permitir que el software de computadora busque una solución óptima conduce a mejores soluciones que las que usted diseñaría o adivinaría basándose en sus intuiciones. Y este proceso es independiente del material, es totalmente compatible con las fundiciones comerciales y permite nuevas funcionalidades ”, dijo Vučković. “Incluso si intenta hacer algo un poco mejor que las soluciones tradicionales, más pequeño en tamaño o más eficiente, podemos encontrar múltiples soluciones que son igualmente buenas o mejores que las que conocíamos antes. Estamos volviendo a aprender fotónica y electromagnética en este proceso ".

Homenaje a Mildred S. Dresselhaus y Gene Dresselhaus

Vučković fue el tercer orador en pronunciar la Conferencia Dresselhaus, establecida en 2019 para honrar a la fallecida profesora de física e ingeniería eléctrica del MIT, Mildred Dresselhaus. Este año, la conferencia también estuvo dedicada a Gene Dresselhaus, físico de renombre y esposo de Millie, quien falleció a fines de septiembre de 2021.

Jing Kong, profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT, abrió la conferencia reflexionando sobre los logros científicos de Dresselhaus. Kong destacó el Premio de Física de la Materia Condensada Oliver E Buckley de la Sociedad Estadounidense de Física, considerado el premio más prestigioso otorgado dentro del campo de la física de la materia condensada, que fue otorgado tanto a Millie (2008) como a Gene (2022). “Aunque trabajaron juntos en muchos temas importantes”, dijo Kong, “es notable que hayan recibido este premio por trabajos de investigación separados. Es una lección de humildad para nosotros seguir sus pasos ".

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MIT

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