Transístor de fulereno é 1 milhão de vezes mais rápido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/03/2023

A realização deste transístor exigiu uma nova compreensão sobre como as moléculas liberam elétrons quando energizadas pela luz.
[Imagem: Yanagisawa et al. (2023)]

Transístor molecular

Na eletrônica e na computação, o modo comum de funcionamento de um transístor é o de um interruptor: Ligado é interpretado como 1 e desligado é interpretado como 0.

Assim, a velocidade com que você consegue ligar e desligar esse interruptor - chamado tempo de chaveamento do transístor - em última instância determina a velocidade do seu processador.

Agora, Hirofumi Yanagisawa e colegas da Universidade de Tóquio construíram um transístor molecular - formado por uma única molécula - que tem dois ganhos fundamentais em relação aos atuais transistores de silício.

Em primeiro lugar, o transístor molecular é acionado por luz, e não por eletricidade, o que significa um consumo de energia muito menor; em segundo lugar, esse transístor óptico tem um tempo de chaveamento que é nada menos do que um milhão de vezes mais rápido do que os transistores mais modernos.

Mas é ainda mais do que isso: Como essas moléculas individuais podem ser acionadas de múltiplas formas por um feixe de luz, torna-se possível contar com múltiplos transistores microscópicos em uma única molécula, o que significa que é possível aumentar a complexidade de um circuito sem aumentar sua dimensão física.

Em outras palavras, com múltiplos transistores ultrarrápidos combinados em uma única molécula, seria necessária apenas uma pequena rede deles para executar tarefas computacionais com uma velocidade muito maior do que é possível hoje.

O pulso de luz pode alterar o caminho percorrido pelo elétron que chega, aqui representado por um trem.
[Imagem: Yanagisawa et al. (2023)]

Transístor de fulereno

O transístor consiste em uma única molécula de fulereno, uma esfera feita com átomos de carbono - se você enrolar um pedaço de grafeno, que é uma folha monoatômica de carbono, você tem um nanotubo; se o embolar, você tem um fulereno.

O uso do fulereno como um transístor é bem mais do que um simples experimento de demonstração. Embora se saiba há décadas que as moléculas emitem elétrons quando energizadas por determinados comprimentos de onda, Yanagisawa e seus colegas foram os primeiros a teorizar e explicar como a emissão de elétrons das moléculas excitadas de fulereno deve se comportar quando expostas a tipos específicos de luz laser, o que os permitiu trabalhar até mesmo com elétrons individuais.

"O que conseguimos fazer aqui foi controlar a maneira como uma molécula direciona o caminho de um elétron que chega usando um pulso muito curto de luz laser vermelha," contou Yanagisawa. "Dependendo do pulso de luz, o elétron pode permanecer em seu curso padrão ou ser redirecionado de maneira previsível. Então, é um pouco como os pontos de comutação de um trilho de trem ou de um transístor eletrônico, só que muito mais rápido. Acreditamos que podemos atingir uma velocidade de comutação um milhão de vezes mais rápida do que um transístor clássico, o que pode se traduzir em desempenho real na computação."

Imagens com ultrarresolução

Esta é a primeira vez que a luz foi usada para controlar a emissão de elétrons de uma molécula dessa maneira.

E emitir elétrons a partir da luz é algo muito comum, sendo o mecanismo fundamental por trás das células solares e dos sensores das câmeras digitais, por exemplo. E é aqui que a equipe acredita que sua técnica terá benefícios práticos de grande alcance.

"Esta técnica é semelhante à forma como um microscópio de emissão de fotoelétrons produz imagens," disse Yanagisawa. "Só que, enquanto eles podem atingir resoluções de cerca de 10 nanômetros, ou dez bilionésimos de metro [10^-9], nosso interruptor de fulereno melhora isso e permite resoluções de cerca de 300 picômetros, ou trezentos trilionésimos de metro [10^-12]."

Em princípio, como vários comutadores de elétrons ultrarrápidos podem ser combinados em uma única molécula, seria necessária apenas uma pequena rede delas para executar essas tarefas. Mas ainda há vários desafios a serem vencidos, como miniaturizar o componente do laser, o que seria essencial para criar esse novo tipo de circuito integrado. Portanto, ainda pode levar muitos anos até que vejamos um processador ou uma câmera baseados em transistores de fulereno.

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