Excitons fazem ponte entre computação eletrônica e comunicação óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/06/2008

Registro do momento em que os excitons se transformam em pulsos de luz na saída do transístor.
[Imagem: Leonid Butov/UCSD]

Conversão de elétrons para fótons

Os transistores, os "tijolos" com que são construídos todos os circuitos integrados e microprocessadores, usam elétrons para transportar os sinais necessários a todos os tipos de computação.

O problema é que quase todos os sistemas de comunicação de banda larga já são baseados na luz. E as fibras ópticas transportam fótons - o elemento fundamental da luz - e não elétrons. É a necessidade de conversão de elétrons em fótons e vice-versa que limita a velocidade dos atuais sistemas de informática.

Em 2006, a equipe do professor Leonid Butov, descobriu que uma partícula chamada exciton poderia ser a chave para uma nova forma de computação. Um exciton emite um flash de fótons quando decai, ou seja, ele vira um fóton espontaneamente, eliminando todo o aparato de conversão optoeletrônica que é necessário hoje. (veja Nova propriedade da matéria poderá gerar novos componentes eletrônicos).

Transistores de excitons

Agora eles construíram uma série de transistores que funcionam à base de excitons. Que, por sua vez, poderão se tornar a base de um novo tipo de computador muito mais rápido, sem os gargalos da conversão entre elétrons e fótons necessária para que os computadores conversem entre si por meio das redes de fibras ópticas.

"Nossos transistores processam sinais usando excitons que, como os elétrons, podem ser controlados com tensões elétricas e que, ao contrário dos elétrons, transforma-se em fótons na saída do circuito," explica o professor Butov. "Essa conversão direta de excitons para fótons elimina o hiato entre a computação e as comunicações."

Manipulação dos excitons

Os excitons são gerados pela luz em um semicondutor, como o arseneto de gálio, que separa o elétron, com carga negativa, da lacuna, com carga positiva. Se o par permanece ligado pela atração de suas forças, mas sem se mesclar, forma-se o exciton. Quando finalmente o elétron e a lacuna se recombinam, é emitido um pulso de fótons - um minúsculo flash de luz.

A equipe do Dr. Butov confinou os excitons em poços quânticos, mantendo-os separados por distâncias de vários nanômetros. Esta configuração permitiu que eles controlassem o fluxo de excitons utilizando tensões elétricas fornecidas nos terminais dos transistores de excitons.

As tensões nos terminais criam uma espécie de barreira ao movimento do exciton. A barreira pode ser ativada ou desativada controlando-se o nível dessa tensão. Quando a tensão cai, o exciton viaja ao longo do transístor e se transforma em luz na sua porta de saída, alimentando diretamente o circuito de comunicação, sem a necessidade de um dispositivo para fazer a conversão de elétron para fóton.

Os cientistas agora querem reproduzir os transistores de excitons em outros materiais semicondutores porque o arseneto de gálio permite a manipulação dos excitons apenas em temperaturas muito abaixo da temperatura normal de funcionamento de um circuito integrado - na verdade, o experimento funciona em uma temperatura muito próxima ao zero absoluto.

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