Luz sofre metamorfose para caber dentro do chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/12/2016

Este é o esquema do multiplexador, com uma entrada e duas saídas. O acoplamento mais-menos indica os excitons.
[Imagem: IBS]

Luz na matéria

Engenheiros coreanos construíram três componentes-chave para a viabilização de processadores que usam luz em vez de eletricidade.

Além disso, os três componentes combinam as vantagens da eletrônica tradicional com a nova fotônica, tudo na mesma plataforma.

Usar a luz dentro dos processadores é bom porque ela é muito mais rápida do que a eletricidade, mas é também complicado porque o comprimento de onda da luz é enorme em relação aos componentes ultraminiaturizados da eletrônica atual - enquanto a dimensão de um transístor está na casa dos 20 nanômetros e caindo rápido, o comprimento de onda da luz está na faixa dos 500 nanômetros.

Conversão da luz

A solução é controlar a propagação da luz diretamente na matéria, mais especificamente em nanofios metálicos dentro dos chips. Para isso a luz é convertida em plásmons de superfície, oscilações conjuntas de elétrons que emergem quando a luz atinge a superfície metálica dos fios, geralmente de alumínio, cobre, prata ou ouro.

Usando os plásmons de superfície, a informação pode ser transmitida quase à velocidade da luz em componentes minúsculos, já que as ondas são geradas na superfície do próprio componente, qualquer que seja seu tamanho.

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A equipe do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul conseguiu usar este princípio para construir três componentes essenciais para o processamento e a comunicações ópticas: transistores, multiplexadores e detectores de luz. Os componentes foram feitos com um semicondutor emergente, o dissulfeto de molibdênio (MoS2).

A luz é transformada em oscilações de elétrons, que se propagam rapidamente pela superfície metálica.
[Imagem: Hyun Seok Lee et al. - 10.1038/ncomms13663]

Interconversão

Os componentes funcionam e se interconectam graças a um fenômeno chamado interconversão plásmon-exciton-plásmon, que pode ser visto na figura.

O transistor óptico foi construído interconectando um nanofio a uma folha de MoS2 (a molibdenita é formada por uma única camada atômica). A luz que atinge o componente é convertida em plásmon de superfície, depois para um exciton, de volta para plásmon de superfície, e então re-emitida como luz com um comprimento de onda mais curto - por exemplo, se a luz de entrada for verde, a luz de saída é vermelha.

A multiplexação de comprimento de onda funciona de forma semelhante, mas em vez de uma única folha de MoS2, foi utilizada uma matriz de três materiais semicondutores 2D diferentes emitindo luz em diferentes comprimentos de onda - uma única luz de entrada (violeta) gera três luzes de saída (azul, verde e vermelha).

Os sinais ópticos que se propagam ao longo do nanofio podem também ser transformados e detectados como sinais elétricos por um detector óptico de sinais, permitindo a conexão da parte fotônica do circuito com circuitos eletrônicos.

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