Fóton altera interruptor de transistor | Scientific American Brasil | Nastari Editores
Fóton altera interruptor de transistor
Fótons aparecem como concorrentes de elétrons em novos circuitos de computador
Cortesia da Revista Nature
Apague a Luz Pesquisadores conseguiram usar um único fóton para desativar um feixe de luz, um passo fundamental para demonstrar um transistor ótico. Figuras: Átomos frios de césio; Feixe forte de luz (esquerda) e Fóton de mudança excita átomos, Feixe de luz bloqueado(direita)
Por Devin Powell e Revista Nature
Transistores, os pequenos interruptores que se ligam e desligam dentro de chips de computador, há muito tempo são o domínio da eletricidade. Mas cientistas estão começando a desenvolver componentes de chips que funcionam com luz. Na semana passada, em uma conquista memorável, uma equipe conduzida por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, relataram a construção de um transistor que é acionado por um único fóton.
Convencionalmente, fótons só são usados para transmitir informações, correndo ao longo de cabos de fibra ótica com velocidades sem igual. O primeiro chip comercial de silício a incluir elementos óticos, anunciado em dezembro último, fez pouco para desafiar o status quo. Os feixes on-board de luz do dispositivo, desenvolvidos no centro de pesquisa da IBM em Yorktown Heights, Nova York, transporta dados entre chips de computador.
Agora, Wenlan Chen do MIT e seus colegas ensinaram alguns truques novos à luz, usando uma nuvem de átomos resfriados de césio suspensos entre dois espelhos. Por padrão, seu transistor fica 'ligado', permitindo que um feixe de luz viaje através da nuvem transparente de césio intocada. Mas enviar um único fóton 'portal' desativa o interruptor, graças a um efeito chamado de transparência eletromagneticamente induzida. O fóton injetado excita os átomos de césio, tornando-os refletivos à luz que tenta cruzar a nuvem.
Assim, um fóton pode bloquear a passagem de aproximadamente 400 outros fótons, explica Chen, que apresentou o resultado em 7 de junho em uma reunião da Divisão de Física Atômica, Molecular e Ótica da American Physical Society em Quebec City, no Canadá.
A capacidade de ligar e desligar um sinal forte usando um sinal fraco preenche uma exigência fundamental de transistores óticos. "Nada sequer se aproximava disso no passado", declara o físico Ataç İmamoğlu do Instituto Federal de Tecnologia Suíço em Zurique, que chamou o experimento de "uma verdadeira conquista". Em teoria, as centenas de fótons, controlados pelo fóton disparador, poderiam se espalhar e desativar centenas de outros transistores em um circuito ótico.
Com suas nuvens exóticas de átomos e equipamento volumoso, é improvável que o transistor "prova do princípio" se torne um componente de computadores comuns. Mas ele poderia ser uma ferramente útil para estudar a interação dos prótons no nível quântico – potencialmente levando a um transitor quântico que marca, não um ou zero como na computação clássica, mas um confuso bit de informação quântica.
Um transistor ótico mais prático estreou em abril de 2012 na Purdue University em West Lafayette, Indiana, onde o engenheiro elétrico Minghao Qi produziu um que é compatível com as técnicas de produção existentes da indústria de semicondutores. "A vantagem de nosso dispositivo é que nós o temos em um chip de silício", explica Qi.
Nesse caso, o feixe de luz a ser ligado e desligado entra e sai ao longo de um canal, gravado no silício, que fica perto de um canal paralelo. Entre os dois trilhos fica um anel gravado. Quando um feixe de luz mais fraco passa pela segunda linha ótica, o anel se aquece e dilata, interferindo com o feixe principal e desligando o transistor. Esse interruptor pode ser ligado e desligado até 10 bilhões de vezes por segundo.
E o feixe de saída pode se espalhar e conduzir dois outros transistores, atendendo uma das exigências estabelecidas para um transistor ótico determinadas em 2010 por David Miller, físico da Stanford University, na Califórnia.
Outros critérios incluem adequar a frequência do sinal de saída à frequência de entrada e manter a saída limpa, sem degradação que possa provocar erros. "Produzir um transistor ótico que realmente satisfaça os critérios necessários é muito difícil", observa Miller.
De qualquer forma, Qi não espera superar os transistores eletrônicos com seu análogo ótico, que consome muito mais energia e é muito mais lento. "Nós queremos complementar o transistor da Intel", explica ele. "Não queremos substituí-lo". Ele espera encontrar apoio em nichos de mercados, como equipamentos para canais de cabo e tecnologias militares que poderiam se beneficiar da blindagem da luz a ataques eletromagnéticos.
Roteadores que direcionam informações através da Internet também poderiam ser receptivos a transistores e interruptores óticos.
No momento, esses pontos na rede convertem sinais óticos viajando através de cabos de fibra ótica em sinais elétricos; eles são então processados, convertidos de volta para luz e enviados. Um router em que um feixe de luz empurre outro na direção apropriada – sem conversões envolvidas – poderia, em princípio, ser mais rápido e consumir menos energia.
Pontos quânticos, pequenos cristais semicondutores que se comportam como átomos, são candidatos populares a esse tipo de interruptor. Em um interruptor particularmente sensível de ponto quântico, um feixe de luz é inicialmente guiado ao longo de um material pontilhado com furos, chamado de cristal fotônico. A luz pode passar através de um ponto quântico posicionado em seu caminho sem mudar de curso. Mas se um pulso de luz for enviado logo adiante desse feixe, ele pode induzir uma interação entre o ponto e o cristal que espalha o feixe e o envia por uma rota diferente.
Relatado em maio de 2012 por Edo Waks e seus colegas, do Instituto Joint Quantum da University of Maryland em College Park , esse interruptor muda quando atingido por um pulso de 140 fótons. Em princípio, isso é uma quantidade de energia baixa o suficiente para rivalizar com os routers convencionais.
Mas o switch ainda enfrenta um obstáculo prático comum a todas essas tecnologias emergentes. Os lasers que fornecem luz aos dispositivos consomem uma energia considerável, contrabalançando qualquer economia. "No momento", lamenta Waks, "as despesas gerais é que estão acabando conosco".
Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 12 de junho de 2013.