Antena de luz modulada eletricamente aponta o caminho para chips de computador mais rápidos
Físicos de Würzburg apresentam uma antena de luz do tamanho de um nanômetro com propriedades de superfície moduladas eletricamente – um avanço que pode abrir caminho para chips de computador mais rápidos.
Os computadores de hoje atingem seus limites físicos quando se trata de velocidade. Os componentes semicondutores geralmente operam em uma frequência máxima utilizável de alguns gigahertz – o que corresponde a vários bilhões de operações de computação por segundo. Como resultado, os sistemas modernos dependem de vários chips para dividir as tarefas de computação porque a velocidade dos chips individuais não pode ser aumentada mais. No entanto, se a luz (fótons) fosse usada em vez de eletricidade (elétrons) em chips de computador, eles poderiam ser até 1000 vezes mais rápidos.
Ressonadores plasmônicos, também conhecidos como “antenas para luz”, são uma maneira promissora de atingir esse salto de velocidade. São estruturas metálicas de tamanho nanométrico nas quais a luz e os elétrons interagem. Dependendo de sua geometria, eles podem interagir com diferentes frequências de luz.
“O desafio é que os ressonadores plasmônicos ainda não podem ser modulados efetivamente, como é o caso dos transistores na eletrônica convencional. Isso dificulta o desenvolvimento de interruptores rápidos baseados em luz”, diz o Dr. Thorsten Feichtner, físico da Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg na Baviera, Alemanha.
Antenas ópticas carregadas: Universidade de Würzburg inova
Uma equipe de pesquisa da JMU em colaboração com a Southern Denmark University (SDU) em Odense deu um passo significativo na modulação de antenas de luz: conseguiu obter modulação controlada eletricamente que aponta o caminho para plasmônicas ativas ultrarrápidas e, portanto, para chips de computador significativamente mais rápidos. Os experimentos foram publicados no periódico Science Advances.
Em vez de tentar mudar o ressonador inteiro, a equipe se concentrou em mudar suas propriedades de superfície. Esse avanço foi alcançado por meio do contato elétrico de um único ressonador, uma nanorod feita de ouro – uma ideia conceitualmente simples, mas que só poderia ser realizada com a ajuda de uma nanofabricação sofisticada baseada em feixes de íons de hélio e nanocristais de ouro. Esse método de fabricação exclusivo foi estabelecido na Cátedra de Física Experimental (Biofísica) da JMU sob a direção do Professor Bert Hecht. Técnicas sofisticadas de medição com um amplificador lock-in foram cruciais para detectar os efeitos pequenos, mas significativos, na superfície do ressonador.
O líder do estudo, Dr. Thorsten Feichtner, explica: “O efeito que estamos usando é comparável ao princípio da gaiola de Faraday. Assim como os elétrons em um carro atingido por um raio se acumulam do lado de fora e os ocupantes dentro dele estão seguros, elétrons adicionais na superfície influenciam as propriedades ópticas dos ressonadores.”
Efeitos quânticos surpreendentes
Até agora, as antenas ópticas quase sempre podiam ser descritas classicamente: os elétrons do metal simplesmente param na borda da nanopartícula, como água em um muro de porto. No entanto, as medições feitas pelos cientistas de Würzburg revelaram mudanças na ressonância que não podem mais ser explicadas em termos clássicos: os elétrons “espalham” através da fronteira entre o metal e o ar, resultando em uma transição suave e graduada, semelhante a uma praia arenosa encontrada pelo mar.
Para explicar esses efeitos quânticos, teóricos da SDU Odense desenvolveram um modelo semiclássico. Ele incorpora as propriedades quânticas em um parâmetro de superfície para que os cálculos possam ser realizados usando métodos clássicos. “Ao perturbar as funções de resposta da superfície, combinamos efeitos clássicos e quânticos, criando uma estrutura unificada que avança nossa compreensão dos efeitos de superfície”, explica o físico da JMU Luka Zurak, primeiro autor do estudo.
Novo campo de pesquisa com grande potencial
O novo modelo pode reproduzir os experimentos, mas exatamente quais dos muitos efeitos quânticos estão envolvidos na superfície do metal não está claro no momento. “Mas com este estudo, agora é possível pela primeira vez projetar especificamente novas antenas e excluir ou amplificar efeitos quânticos individuais”, diz Thorsten Feichtner.
A longo prazo, os pesquisadores vislumbram ainda mais aplicações: ressonadores menores prometem moduladores ópticos com alta eficiência, que poderiam ser usados tecnologicamente. Além disso, a influência de elétrons de superfície em processos catalíticos também pode ser investigada com o sistema apresentado. Isso forneceria novos insights sobre tecnologias de conversão e armazenamento de energia.
Publicação
Modulação elétrica da resposta de superfície em um único nanorressonador plasmônico. Luka Zurak, Christian Wolf, Jessica Meier, René Kullock, N. Asger Mortensen, Bert Hecht, Thorsten Feichtner. Science Advances, 6 de setembro de 2024, DOI 10.1126/sciadv.adn5227
