De vidro a espelho: Novo material funciona como transístor para computação de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/03/2021

O novo material esquenta quase instantaneamente porque suas propriedades físicas são alteradas por bósons, e não por elétrons.
[Imagem: Hope M. Bretscher et al. - 10.1038/s41467-021-21929-3]

Transístor para a luz

As pesquisas no campo da computação baseada em luz, ou computação fotônica - usar luz em vez de eletricidade nos processadores e demais chips - está avançando rapidamente, mas ainda há alguns obstáculos técnicos a serem superados.

Um deles está no processo pelo qual a luz seja ligada e desligada rapidamente, assim como um transístor comum liga e desliga a corrente elétrica.

A boa notícia é que Hope Bretscher e seus colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, acabam de encontrar uma espécie de "material camaleão", que muda muito rapidamente de personalidade, passando de um espelho para um vidro transparente, o que permite que ele libere ou interrompa um feixe de luz quase instantaneamente.

O material, um seleneto de níquel e tântalo (Ta₂NiSe₅), alterna entre um vidro transparente e um espelho em um quadrilionésimo de segundo quando atingido por um pulso de laser.

Ele funciona como um isolante a temperatura ambiente, o que significa que, quando a luz infravermelha atinge o material neste estado de isolante, ela passa direto como se estivesse passando por uma janela. No entanto, quando aquecido ligeiramente pelo pulso de laser, o material se torna um metal, que funciona como um espelho e reflete a luz.

Isso abre o caminho para o desenvolvimento de componentes comutadores ultrarrápidos para criar os computadores ópticos do futuro.

É uma das primeiras demonstrações práticas envolvendo os isolantes excitônicos, embora tudo ainda seja feito em grandes mesas ópticas.
[Imagem: Hope Bretscher]

Isolante excitônico

"Já sabíamos que o Ta₂NiSe₅ poderia alternar entre uma janela e um espelho quando fosse aquecido, mas aquecer um objeto é um processo muito lento," comentou o professor Akshay Rao. "O que nossos experimentos mostraram é que um pulso de laser curto também pode disparar esse chaveamento em apenas 10^-15 segundo. Isso é um milhão de vezes mais rápido do que os interruptores [transistores] em nossos computadores atuais."

Essa "mágica" é possível porque o material é um isolante excitônico, cujo comportamento é ditado por quasipartículas chamadas éxcitons - éxcitons são pares constituídos por elétrons, com carga negativa, e lacunas, ou ausência de elétrons, com carga positiva, formados pela injeção de fótons em materiais semicondutores.

"Esta fase de isolamento excitônico se parece em muitos aspectos com um isolante totalmente normal, mas uma maneira de distinguir entre um isolante incomum e um comum é ver exatamente quanto tempo leva para ele se tornar um metal," disse Rao. "Na verdade, passar de um isolante para um metal é como derreter um cubo de gelo. Os próprios átomos se movem e se reorganizam, o que é um processo lento. Mas, em um isolante excitônico, isso pode acontecer muito rápido porque os próprios átomos não precisam se mover para [o material] mudar de fase."

"Embora a produção prática de chaves quânticas com Ta₂NiSe₅ ainda possa estar muito distante, ter identificado uma nova abordagem para o crescente desafio de otimizar a velocidade dos computadores e seu uso de energia é um desenvolvimento empolgante," finalizou Rao.

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