Eletrônica

Metatrônica demonstra primeiros circuitos lógicos ópticos

Metatrônica: primeiros circuitos lógicos ópticos usam metamateriais
Os cruzamentos dos nanobastões e os intervalos entre eles formam padrões que manipulam a luz de forma a replicar o funcionamento dos resistores, bobinas e capacitores - tudo exatamente como na eletrônica, com a diferença de que tudo funciona no comprimento de onda da luz. [Imagem: Sun et al./Nature]

Componentes lógicos optoeletrônicos

Em 2005, um grupo de cientistas da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, publicou um artigo teórico no qual eles demonstravam que era possível usar nanopartículas para criar componentes optoeletrônicos.

Quando esses componentes optoeletrônicos pudessem ser construídos - essencialmente os equivalentes ópticos dos resistores, capacitores e transistores -, diziam os cientistas, então seria possível substituir a eletricidade pela luz na construção de circuitos lógicos - computadores, por exemplo.

Agora, Nader Engheta e sua equipe finalmente transformaram seu sonho em realidade, criando componentes ópticos "integrados" que podem ser usados para criar circuitos lógicos.

Em eletrônica, o termo lumped - integrado, ou aglomerado - é normalmente usado para descrever elementos que podem ser tratados como uma caixa preta, algo que, partindo de uma entrada conhecida gera sempre uma saída previsível, sem que o projetista precise se preocupar com o que está ocorrendo dentro desse componente.

O que problema é que não é fácil construir caixas pretas com componentes ópticos.

"A óptica sempre teve seus próprios análogos de componentes, coisas como lentes, guias de onda e grades," explica Engheta "mas eles nunca foram integrados. Esses componentes são todos muito maiores do que o comprimento de onda da luz, porque isso era tudo o que se poderia construir nos velhos tempos. Para os eletrônicos, os elementos aglomerados sempre foram muito menores do que o comprimento de onda em que funcionam, que está na faixa de frequência do radio ou micro-ondas."

Metatrônica: primeiros circuitos lógicos ópticos usam metamateriais
Quando o plano do campo elétrico está alinhado com os nanobastões, o circuito está em paralelo. [Imagem: University of Pennsylvania]

Metamateriais + eletrônica

Tudo mudou com a nanotecnologia, como Engheta havia previsto há sete anos, permitindo a construção de componentes com dimensões na faixa dos nanômetros.

E eles foram encontrar o que procuravam nos metamateriais, estruturas sintéticas que se tornaram famosas por sua aplicação nos mantos da invisibilidade, mas cuja principal característica é uma excepcional capacidade para lidar com a luz.

No experimento, o grupo utilizou uma estrutura parecida com um pente, formada por nanobastões retangulares feitos de nitreto de silício.

Os cruzamentos dos nanobastões e os intervalos entre eles formam padrões que manipulam a luz de forma a replicar o funcionamento dos resistores, bobinas e capacitores - tudo exatamente como na eletrônica, com a diferença de que tudo funciona no comprimento de onda da luz.

Os nanobastões foram iluminados com um feixe de luz na faixa do infravermelho médio. Os cientistas então usaram espectroscopia para medir a onda conforme ela passava através do pente.

Repetindo o experimento usando nanobastões com nove diferentes combinações de larguras e alturas, eles demonstraram que a "corrente óptica" e a "tensão óptica" foram alteradas pelos resistores ópticos, pelos indutores ópticos e pelos capacitores ópticos, tudo com parâmetros correspondentes àquelas diferenças de tamanho dos nanobastões.

"Uma seção do nanobastão funciona tanto como indutor quanto como resistor, e o hiato com ar age como um capacitor," explica Engheta.

Metatrônica: primeiros circuitos lógicos ópticos usam metamateriais
Quando o plano do campo elétrico cruza tanto os nanobastões quanto os intervalos, o circuito está em série. [Imagem: University of Pennsylvania]

Metatrônica

Os cientistas batizaram sua nova técnica de metatrônica - uma junção de metamateriais com eletrônica. É ainda uma prova de conceito, mas extremamente promissora.

"Se tivermos a versão óptica desses componentes agrupados em nosso estoque, nós poderemos de fato fazer projetos similares ao que se faz hoje na eletrônica, mas operando com luz. Nós poderemos construir um circuito com luz," diz Engheta.

Até mais do que isso, porque, além de alterar as dimensões das nanoestruturas, assim como o material com que são fabricadas, o funcionamento desses circuitos de luz pode ser alterado mudando a orientação da luz.

Isto pode dar aos futuros circuitos metatrônicos possibilidades e arranjos de componentes impensáveis na eletrônica - algo como mudar as características da corrente elétrica que percorre os componentes eletrônicos e, com isso, fazê-los funcionar de forma diferente.

A possibilidade existe porque a onda de luz tem polarizações: o campo elétrico que oscila na onda tem uma orientação definida no espaço. Na metatrônica, é esse campo elétrico que interage com os componentes e é alterado por eles. Assim, mudando a orientação do campo elétrico é mesmo que reconfigurar inteiramente o hardware.

E as possibilidades não acabam por aí. Os pesquisadores trabalharam com pentes de nanobastões, que são essencialmente bidimensionais. Mas é possível construir estruturas tridimensionais.

Assim, a luz que chega até a caixa preta de um lado encontra um circuito lógico totalmente diferente daquele que será usado por um feixe de luz que chegue por cima ou por baixo.

Alfabeto óptico

"Uma das razões do sucesso da eletrônica é a sua modularidade. Nós podemos construir um número infinito de circuitos dependendo de como organizamos diferentes componentes, de forma parecida com que organizamos as letras do alfabeto em diferentes palavras, frases e parágrafos," compara Engheta.

"Nós agora estamos trabalhando na construção de componentes ópticos mais complicados. Nós estamos construindo essas letras uma por uma," conclui o pesquisador.

Bibliografia:

Experimental realization of optical lumped nanocircuits at infrared wavelengths
Yong Sun, Brian Edwards, Andrea Alù, Nader Engheta
Nature Materials
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3230




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