Os brasileiros que estão ajudando a fazer a Revolução Fotônica

Com informações da Agência Fapesp - 05/10/2015

Este é primeiro processador de luz multiuso à base de silício, que deverá revolucionar todas as pesquisas rumo aos computadores quânticos.
[Imagem: Universidade de Bristol]

Nanofotônica

Computadores, tablets, celulares e aparelhos eletrônicos em geral estão prestes a sofrer uma transformação movida pela luz.

Embora, na aparência, eles não deverão ser muito diferentes, seu funcionamento será mais rápido e consumirá menos energia elétrica graças a um novo conjunto de tecnologias que permite substituir a eletricidade pela luz dentro dos chips.

Novas tecnologias para manipular a luz na escala microscópica já estão permitindo a construção dos primeiros chips nanofotônicos de silício.

Assim como os chips de silício convencionais, os nanofotônicos são feitos de peças eletrônicas microscópicas.

O professor Gustavo Wiederhecker participou da equipe que construiu um nanorrelógio de luz e silício, uma ferramenta essencial no interior dos circuitos fotônicos.
[Imagem: Zhang et al.]

A diferença crucial dos chips nanofotônicos em relação aos atuais chips de silício é que, em vez de serem integrados por circuitos de fios metálicos, responsáveis por transmitir os sinais elétricos, os componentes do novo chip se comunicam por meio de sinais de luz - mais especificamente, de luz laser. A vantagem dos sinais luminosos sobre os elétricos é transportar mais informação mais rapidamente. Nos chips nanofotônicos, a troca de informações deve ocorrer quase sem a conversão de energia elétrica em calor.

Chips com elementos nanofotônicos já fazem parte dos programas de pesquisa de multinacionais da área de eletrônica e existem vários na fase de protótipos. Quando estiverem prontos para serem comercializados, deverão beneficiar, no início, supercomputadores dos principais centros de dados do mundo.

"Há ainda problemas de física básica e de engenharia para resolver," explica o professor Gustavo Wiederhecker, físico da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) que estuda a interação da luz com materiais nanométricos. "Mas, em algum momento, o custo de produção vai baixar e a nanofotônica poderá entrar no cotidiano das pessoas."

O professor Paulo Nussenzveig participou do trabalho que mostrou a possibilidade de criar um "campo magnético" para a luz.
[Imagem: Lawrence D. Tzuang et al. - 10.1038/nphoton.2014.177]

Laser no chip

"Os avanços recentes da nanofotônica são impressionantes, mas nada disso é tão revolucionário quanto o laser," explica Paulo Nussenzveig, físico da Universidade de São Paulo (USP) e especialista em óptica quântica.

Tentando explorar fenômenos quânticos da luz em chips nanofotônicos, Nussenzveig colabora desde 2012 com a equipe da professora Michal Lipson, da Universidade Colúmbia, Estados Unidos, uma das mais produtivas no campo dos circuitos de luz e computadores fotônicos.

No ano passado, o grupo publicou um artigo na revista Nature Photonics demonstrando como um efeito magnético quântico poderia ser usado para guiar a luz por um canal microscópico em um chip de silício. "O laser foi a mudança de paradigma que permitiu o desenvolvimento de todas as tecnologias que o seguiram", diz Nussenzveig.

Três pesquisadores brasileiros participaram da criação de um diodo de luz dentro de um chip de silício.
[Imagem: ITA/DCTA]

Fotônica na Medicina

Os pesquisadores estimam que a integração microscópica da eletrônica com o laser permitirá a miniaturização também de equipamentos que usam a luz para exames médicos e análises químicas. Atualmente, a maioria desses aparelhos é utilizada em laboratórios, mas o uso de chips fotônicos combinados a outras tecnologias pode permitir o desenvolvimento de equipamentos mais baratos e portáteis, que possam ser transportados para qualquer lugar.

"Alguns obstáculos ainda impedem que essa tecnologia se torne realidade, mas eles vêm sendo contornados rapidamente," avalia Vilson R. Almeida, pesquisador que estuda aplicações da fotônica em sensoriamento biológico e aeroespacial no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) e no Instituto de Estudos Avançados (IEAv).

Almeida e mais dois brasileiros participaram de uma equipe internacional que desenvolveu um componente capaz de transmitir luz em apenas uma direção - um diodo óptico. O trabalho foi capa da revista Nature Materials, em 2013.

Um desses obstáculos, Almeida explica, é o uso do silício como base dos chips eletrônicos e fotônicos comerciais. Apesar de transmitir bem a luz, o silício não gera nem detecta luz de modo eficiente. "Já se demonstrou que existem soluções como o uso de materiais híbridos, que estão sendo aperfeiçoados e devem se tornar disponíveis comercialmente em até três anos," prevê. Mais recentemente, a descoberta de uma nova propriedade fotônica no silício trouxe mais entusiasmo à área.

O professor Lázaro Padilha ajudou a criar um LED 40 vezes mais eficiente usando pontos quânticos.
[Imagem: Wan Ki Bae et al./NatComm]

Células solares e LEDs

Um dos nanomateriais mais promissores a serem integrados aos chips nanofotônicos de silício são os chamados pontos quânticos, especialidade do físico Lázaro Padilha, da Unicamp, que ajudou a criar um LED 40 vezes mais eficiente.

Pontos quânticos são pequenos grãos, com menos de 10 nanômetros de diâmetro, feitos de diversos materiais semicondutores. Ajustando o tamanho e as propriedades do material de que são feitos, os pontos quânticos podem transformar eletricidade em luz e funcionar como potentes lâmpadas de LED microscópicas - monitores de telas planas de altíssima resolução feitos de pontos quânticos foram lançados recentemente pela indústria eletrônica.

Fazendo outros ajustes, os pontos quânticos também podem realizar a operação inversa: transformar luz em eletricidade, funcionando como minúsculos painéis solares. "Costumo dizer aos meus estudantes que a célula solar e o LED são o mesmo animal, mas de ponta-cabeça", diz Padilha. "Daqui a 20 ou 30 anos, o telhado e as janelas das casas, o capô dos carros, tudo será coberto por uma camada de materiais que funcionarão como painéis solares microscópicos de alta eficiência, convertendo a luz do sol em energia elétrica".

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