Eletrônica acionada por luz será 100 mil vezes mais rápida

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/06/2016

O mesmo ciclo da onda de luz "aciona" o elétron, fazendo-o oscilar, e depois recaptura de volta sua energia, retornando o elétron ao estado anterior. [Imagem: Christian Hackenberger]

Eletrônica acionada por luz

Um experimento que mostrou ser possível amplificar a interação da luz com um cristal abriu o caminho para uma futura eletrônica impulsionada pelas ondas de luz, ou, dito de outro modo, de uma fotônica para o processamento de dados.

O experimento mostrou que as ondas de luz podem ser capazes de acionar transistores, que hoje são acionados eletricamente.

A grande vantagem, além do consumo mínimo de energia, é que as ondas eletromagnéticas de luz oscilam aproximadamente um milhão de vezes em um bilionésimo de segundo - portanto, com frequências petahertz. Em princípio, a eletrônica do futuro também poderia chegar a esta velocidade e tornar-se 100.000 vezes mais rápida que a eletrônica digital atual.

Para que isto se torne realidade é necessário uma melhor compreensão da interação entre a luz e os elétrons dos materiais semicondutores, mais especificamente, como o campo elétrico ultrarrápido da luz influencia os elétrons.

Para isso, uma equipe do Instituto Max-Planck de Óptica Quântica (Alemanha) e da Universidade de Tsukuba (Japão) combinou técnicas experimentais com uma nova fundamentação teórica que lhes deu acesso direto a essa interação luz-elétron pela primeira vez.

Attossegundos

No experimento, os átomos em um cristal de dióxido de silício - essencialmente um vidro - são atingidos por uma onda de luz amarela, fazendo com que os elétrons em torno de cada átomo oscilem. Este pequeno deslocamento absorve a energia da onda de luz. No próximo ciclo da onda, contudo, a energia absorvida é retornada para a onda de luz.

O registro dessa evolução temporal do campo de luz depois da passagem através do vidro permitiu a primeira observação em tempo real do movimento dos elétrons dentro de um sólido, o que ocorre em uma escala de attossegundos.

O evento ocorre em uma escala de attossegundos - 10^-18 segundos. [Imagem: A. Sommer et al. - 10.1038/nature17650]

Troca de energia

O pulso de luz inclui um único ciclo de oscilação do campo eletromagnético, uma vez que os elétrons se movem para a esquerda e para a direita apenas uma vez, com um retardo de cerca de 10 attossegundos (um attossegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de segundo).

• Quanto tempo leva um elétron para saltar de um átomo para outro?

Esse tempo de retardo na reação determina a energia transferida entre a luz e a matéria. Sendo agora possível medir essa troca de energia dentro de um único ciclo de luz, os parâmetros da interação entre matéria e luz podem ser compreendidos e otimizados com vistas ao processamento de sinais.

Quanto mais reversível for a troca de energia e quanto menor for a quantidade de energia que é deixada para trás no meio sólido após o pulso de luz ter saído, mais a interação é adequada para uma futura eletrônica acionada por luz.

Bibliografia:

Attosecond nonlinear polarization and light-matter energy transfer in solids
A. Sommer, E. M. Bothschafter, S. A. Sato, C. Jakubeit, T. Latka, O. Razskazovskaya, H. Fattahi, M. Jobst, W. Schweinberger, V. Shirvanyan, V. S. Yakovlev, R. Kienberger, K. Yabana, N. Karpowicz, M. Schultze, F. Krausz
Nature
DOI: 10.1038/nature17650