Circuitos nanofotônicos prometem processamento de dados com luz

Com informações da Agência Fapesp - 09/11/2022

(a): Esquema das nanoestruturas em um filme fino de ouro tendo um vidro de telurito como substrato. (b): Uma fonte de luz branca polarizada ilumina a amostra de cima e o espectro de transmissão é registrado no detector.
[Imagem: G. Lozano C. et al. - 10.1038/s41598-022-08858-x]

Híbridos luz-matéria

O movimento dos elétrons carrega informações através dos cabos metálicos, mas a taxa de transmissão é limitada devido às perdas que ocorrem no percurso - ainda não dispomos de supercondutores a temperatura ambiente.

A adoção de fibras ópticas reduziu essas limitações e viabilizou frequências de transmissão muito maiores, abrindo caminho para a internet de banda larga, agregando telefonia, rádio e televisão.

O desafio agora é substituir os circuitos eletrônicos por circuitos ópticos, ou circuitos fotônicos, para aumentar também a velocidade de processamento de dados - e, de quebra, consumir menos energia.

A dificuldade é que a luz por si só não consegue transpor ou ser guiada por estruturas menores do que o seu comprimento de onda, que é da ordem de micrômetros (10^-6 m), enquanto os atuais componentes eletrônicos estão três ordens de grandeza abaixo em termos de dimensões, na faixa dos nanômetros (10^-9 m).

A boa notícia é que existem várias técnicas para superar essa limitação, sobretudo usando quasipartículas que emergem na superfície dos materiais quando a luz incide sobre ela, como os plásmons de superfície, que criam uma espécie de eletricidade gerada por luz, algo que os pesquisadores também chamam de "miniaturização da luz" - há também a possibilidade de usar ondas magnéticas em um esquema parecido.

Mas ainda não está claro qual, ou quais, dessas técnicas vencerão a corrida para chegar às aplicações práticas em escala industrial.

"Uma alternativa altamente promissora é criar sistemas híbridos, baseados na interação da luz com íons. Nosso estudo mostrou que íons, emissores quânticos, conseguem interagir com a luz por meio de uma estrutura metálica em escala nanométrica," conta o professor Euclydes Marega Júnior, do Instituto de Física da USP em São Carlos (SP).

As ondas superficiais (plásmons) permitem romper o limite de difração da luz, essencialmente comprimindo-a em dimensões muito abaixo do seu comprimento de onda.
[Imagem: G. Lozano C. et al. - 10.1038/s41598-022-08858-x]

Nanofotônica

A equipe conseguiu caracterizar a interação da luz com íons do elemento érbio usando um aparato metálico muito pequeno, composto por ranhuras em um metal. A ordem de grandeza dessa estrutura, conhecida como grade de difração, é bem menor do que a do comprimento de onda da luz, por isso a radiação eletromagnética sozinha não poderia atravessar a nanoestrutura.

Mas a passagem da luz tornou-se possível graças à interação dos fótons com elétrons livres do metal que compõe a nanoestrutura, criando o que se denomina "plásmon-poláritons de superfície". Trata-se de um tipo de onda de superfície com comprimento de onda mais curto que o da luz na mesma frequência.

A expressão "plásmon-poláritons de superfície" explica que a onda de superfície envolve tanto o movimento de cargas no metal (plásmon) quanto o de ondas eletromagnéticas no ar ou no dielétrico (poláriton). "É a forma confinada que faz com que a radiação eletromagnética consiga interagir com objetos nessa escala de tamanho," explicou Euclydes.

Longe da nanoestrutura o acoplamento radiação-íon é fraco, mas o dispositivo permite um acoplamento muito mais intenso, com a manifestação de novos fenômenos. Um deles é a ressonância de Fano (Ugo Fano [1912-2001]), que ocorre devido à interação entre dois sistemas que funcionam segundo as leis da mecânica quântica: o íon e o fóton.

O trabalho da equipe brasileira adiciona mais uma possibilidade para um campo cada vez maior de investigação, o da nanofotônica, que enfoca fenômenos que ocorrem em uma escala de tamanho intermediária, entre o nível atômico e o fotônico. As aplicações tecnológicas são altamente promissoras, dos processadores que usam luz em vez de eletricidade a veículos e robôs microscópicos.

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