Agulha de luz ilumina processadores fotônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2012

Um feixe de luz em formato de curva de Gauss propaga-se sem difração, o que poderá ajudar no desenvolvimento de processadores ultrarrápidos.
[Imagem: Patrice Genevet]

Luz sem difração

Cientistas de Cingapura e dos EUA desenvolveram uma onda eletromagnética com duas características incomuns: ela não apresenta difração, não se espalhando enquanto viaja, e é bidimensional, viajando apenas sobre um plano.

É essencialmente um novo tipo de feixe de luz, que se propaga sem se espalhar.

O feixe, que os cientistas batizaram de "agulha de luz", permanece muito estreito e precisamente controlado.

Como é altamente direcional, ele poderá se tornar o componente fundamental em processadores de computador fotônicos, que usam feixes de luz, em vez de elétrons, para transmitir e processar dados.

A nova onda foi descrita por uma solução até então desconhecida para as equações de Maxwell, que descrevem como os campos eletromagnéticos se comportam.

Desenvolvida por Jiao Lin, do Instituto ASTAR, a onda eletromagnética viaja cerca de 80 micrômetros em linha reta, sem difratar - para componentes eletrônicos, cujas dimensões são medidas em nanômetros, essa é uma distância enorme.

Polaritons

A onda é formada quando a luz atinge a superfície de um metal, criando ondulações no mar de elétrons que existe naturalmente em qualquer superfície metálica.

Sob certas condições, essas ondulações - conhecidas como plásmons de superfície - podem se combinar com a luz que chega, criando ondas eletromagnéticas que aderem fortemente à superfície do metal enquanto viajam.

Elas passam então a ser chamadas plásmons de superfície polaritons, cuja principal característica é apresentar um comprimento de onda menor do que a luz, o que as torna transportadoras de dados ultrarrápidas e ultraminiaturizadas.

Como são resultado de uma ação da luz, mas estão intimamente ligados à matéria, os polaritons podem ser entendidos como sendo parte luz e parte matéria.

Os fios metálicos que transportam esses plásmons são vistos como candidatos a substituir os fios de cobre que fazem as interligações entre os transistores no interior dos processadores, consumindo menos energia e esquentando menos.

Contudo, embora a luz possa viajar dentro de um computador muito mais rápido do que os elétrons, os componentes ópticos tendem a ser muito maiores do que os componentes eletrônicos porque seu tamanho é determinado pelo comprimento de onda da luz com que trabalham.

Já os polaritons oferecem o melhor dos dois mundos, afirma Lin, porque os sinais podem viajar à velocidade da luz ao longo de guias de onda metálicos tão compactos quanto os componentes eletrônicos - com dimensões na faixa dos nanômetros.

O problema é que os polaritons difratam quando viajam sobre o metal, o que destrói a qualidade dos sinais que transportam. Isso resulta em perdas de sinal, devido à redução da parte do sinal que pode ser efetivamente detectada. Tentativas anteriores para evitar a difração foram apenas moderadamente bem-sucedidos, porque faziam os polaritons saírem do curso.

A onda sem difração espalha-se bidimensionalmente sobre a superfície da película metálica. [Imagem: Lin et al./PRL]

Feixe cosseno-Gauss localizado

Depois de formular a descrição matemática da nova onda, conhecida como feixe cosseno-Gauss localizado, a equipe entalhou dois conjuntos de minúsculos sulcos, cada um com cerca de 10 micrômetros de comprimento, sobre uma fina camada de ouro presa a um substrato de vidro.

Quando ligeiramente inclinadas, essas ranhuras formam um padrão em V, parecido com os dentes de um serrote.

Quando a luz de um laser infravermelho próximo atinge as ranhuras, são gerados dois polaritons convergentes que rapidamente se unem, interferindo de forma construtiva um com o outro.

Esse novo feixe bem focalizado desliza sobre toda a lâmina de ouro sem difração, cobrindo uma distância muito maior do que havia sido possível até agora.

Lin afirma que, além de ajudar a criar computadores de maior eficiência energética e mais rápidos, os feixes polaritons poderão ser usados no laboratório para prender e manipular nanopartículas.

O próximo passo é incorporar o componente em um circuito óptico para demonstrar sua capacidade de transferir informações com eficiência.

Mais tópicos