Luz miniaturizada colocará eletrônica e fotônica dentro do mesmo chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/11/2022

A "mágica" da miniaturização da luz é feita pela nanoestrutura em formato de gravata borboleta, no centro do dispositivo.
[Imagem: Marcus Albrechtsen et al. - 10.1038/s41467-022-33874-w]

Vencendo o limite de difração

Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca construíram um dispositivo capaz de emitir os mais finos feixes de luz já criados.

Cerca de 10.000 vezes mais finos do que um fio de cabelo humano, esses feixes ultrafinos terão utilidade em uma série de áreas, incluindo toda a tecnologia fotônica, processadores de luz, computadores energeticamente mais eficientes e, claro, na computação quântica.

Até recentemente, os físicos acreditavam que era impossível comprimir a luz abaixo do chamado limite de difração. Depois se viu que isso poderia ser feito usando nanopartículas metálicas, mas esta chamada miniaturização da luz não satisfez a todos porque essas nanopartículas metálicas também absorvem a própria luz, resultando em perdas de energia e informação no processo.

Mas permanecia ainda a ideia de que seria impossível comprimir fortemente a luz em materiais dielétricos, ou isolantes, que, além de serem materiais-chave nas tecnologias da informação, como o silício, vêm com a importante vantagem de não absorverem a luz.

Então, em 2006, vários trabalhos publicados quase simultaneamente sedimentaram a ideia de que o limite de difração também não se aplica aos dielétricos. Ainda assim, ninguém havia conseguido mostrar isso no mundo real, simplesmente porque era necessária uma nanotecnologia avançada demais para construir as nanoestruturas dielétricas necessárias.

Foi esse desafio que agora foi vencido.

Gravata borboleta nanotecnológica

Marcus Albrechtsen e seus colegas finalmente conseguiram construir a nanoestrutura exigida para confinar a luz em um espaço impensável há poucos anos: Seu feixe de luz tem apenas 8 nanômetros de diâmetro.

Antes de tentar construir a nanoestrutura, contudo, era necessário projetá-la com precisão. "Nós programamos nosso conhecimento da nanotecnologia fotônica real e suas limitações atuais em um computador. Então pedimos ao computador que encontrasse um padrão que coletasse os fótons em uma área sem precedentes de tão pequena - em uma nanocavidade óptica - que também conseguimos construir no laboratório," contou o pesquisador.

Tudo acontece dentro de uma nanocavidade dielétrica, uma estrutura em formato de gravata borboleta que concentra a luz em um volume 12 vezes menor do que o limite de difração.

"Embora os cálculos de computador mostrem que você pode concentrar a luz em um ponto infinitamente pequeno, isso só se aplica em teoria. Os resultados reais são limitados pela forma como pequenos detalhes podem ser feitos, por exemplo, em um microchip," disse Albrechtsen.

A equipe acredita que dá para ir miniaturizando ainda mais a luz conforme a nanofabricação avança.
[Imagem: Marcus Albrechtsen et al. - 10.1038/s41467-022-33874-w]

Integração eletrônica-fotônica

Esta inovação pode ser decisiva para o desenvolvimento de novas tecnologias para reduzir a quantidade de componentes devoradores de energia que povoam nossos computadores, celulares e demais aparelhos eletrônicos.

Uma das soluções mais promissoras é trocar a eletricidade por luz, mas, se tiver que seguir as restrições de seu comprimento de onda, de centenas de nanômetros, a luz se torna grande demais para ser embutida em chips.

Esta nova tecnologia, comprimindo a luz no mesmo tamanho que os componentes eletrônicos, pode levar para o interior dos chips a mesma divisão do trabalho que já existe entre luz e elétrons na internet, onde a luz é usada para comunicação e a eletrônica para processamento.

A equipe agora pretende trabalhar no refinamento dos métodos e materiais usados na construção das nanocavidades, para encontrar a solução mais próxima possível do marco teórico.

"Agora que temos a teoria e o método, seremos capazes de produzir fótons cada vez mais intensos à medida que a tecnologia envolvida se desenvolve. Estou convencido de que este é apenas o primeiro de uma longa série de grandes desenvolvimentos em física e nanotecnologia fotônicas, centrados nesses princípios," disse o professor Soren Stobbe.

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