Tecnologia Científica

Explosões de laser impulsionam as portas lógicas mais rápidas de todos os tempos
Uma busca de longa data por ciência e tecnologia tem sido desenvolver eletrônicos e processamento de informações que operam perto das escalas de tempo mais rápidas permitidas pelas leis da natureza.
Por Universidade de Rochester - 11/05/2022


Pulsos de laser sincronizados (vermelho e azul) geram uma explosão de portadores de carga reais e virtuais no grafeno que são absorvidos pelo metal ouro para produzir uma corrente líquida. “Esclarecemos o papel dos portadores de carga virtuais e reais nas correntes induzidas por laser, e isso abriu caminho para a criação de portas lógicas ultrarrápidas”, diz Ignacio Franco, professor associado de química e física da Universidade de Rochester. Crédito: Ilustração da Universidade de Rochester / Michael Osadciw

Uma busca de longa data por ciência e tecnologia tem sido desenvolver eletrônicos e processamento de informações que operam perto das escalas de tempo mais rápidas permitidas pelas leis da natureza.

Uma maneira promissora de atingir esse objetivo envolve o uso de luz laser para guiar o movimento dos elétrons na matéria e, em seguida, usar esse controle para desenvolver elementos de circuitos eletrônicos - um conceito conhecido como eletrônica de ondas de luz.

Notavelmente, os lasers atualmente nos permitem gerar rajadas de eletricidade em escalas de tempo de femtosegundos – ou seja, em um milionésimo de bilionésimo de segundo. No entanto, nossa capacidade de processar informações nessas escalas de tempo ultrarrápidas permaneceu indescritível.

Agora, pesquisadores da Universidade de Rochester e da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) deram um passo decisivo nessa direção, demonstrando uma porta lógica – o bloco de construção da computação e do processamento de informações – que opera em escalas de tempo de femtosegundos. A façanha, relatada na revista  Nature , foi conseguida aproveitando e controlando independentemente, pela primeira vez, os portadores de carga reais e virtuais que compõem essas explosões ultrarrápidas de eletricidade.

Os avanços dos pesquisadores abriram as portas para o processamento de informações no limite de petahertz, onde um quatrilhão de operações computacionais podem ser processadas por segundo. Isso é quase um milhão de vezes mais rápido do que os computadores atuais que operam com taxas de clock de gigahertz, onde 1 petahertz é 1 milhão de gigahertz.

"Este é um ótimo exemplo de como a ciência fundamental pode levar a novas tecnologias", diz Ignacio Franco, professor associado de química e física em Rochester que, em colaboração com o doutorando Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , realizaram os estudos teóricos que levaram a essa descoberta.

Lasers geram rajadas ultrarrápidas de eletricidade

Nos últimos anos, os cientistas aprenderam a explorar pulsos de laser que duram alguns femtossegundos para gerar rajadas ultrarrápidas de correntes elétricas. Isso é feito, por exemplo, iluminando minúsculos fios à base de grafeno que conectam dois metais dourados. O pulso de laser ultracurto coloca em movimento, ou "excita", os elétrons no grafeno e, mais importante, os envia em uma direção específica - gerando assim uma corrente elétrica líquida .
 
Os pulsos de laser podem produzir eletricidade muito mais rápido do que qualquer método tradicional – e o fazem na ausência de tensão aplicada. Além disso, a direção e a magnitude da corrente podem ser controladas simplesmente variando a forma do pulso do laser (ou seja, alterando sua fase).

A inovação: aproveitando as operadoras de carga reais e virtuais

Os grupos de pesquisa de Franco e de Peter Hommelhoff da FAU trabalham há vários anos para transformar ondas de luz em pulsos de corrente ultrarrápidos.

Ao tentar reconciliar as medições experimentais em Erlangen com simulações computacionais em Rochester, a equipe teve uma conclusão: em junções ouro-grafeno-ouro, é possível gerar dois sabores - "real" e "virtual" - das partículas que carregam o cargas que compõem essas explosões de eletricidade.

Portadores de carga "reais" são elétrons excitados pela luz que permanecem em movimento direcional mesmo depois que o pulso do laser é desligado.

Portadores de carga "virtuais" são elétrons que só são colocados em movimento direcional líquido enquanto o pulso de laser está ligado. Como tal, eles são espécies indescritíveis que só vivem transitoriamente durante a iluminação.

Como o grafeno está conectado ao ouro, os portadores de carga reais e virtuais são absorvidos pelo metal para produzir uma corrente líquida.

Surpreendentemente, a equipe descobriu que, alterando a forma do pulso do laser, eles poderiam gerar correntes onde apenas os portadores de carga reais ou virtuais desempenham um papel. Em outras palavras, eles não apenas geraram dois tipos de correntes, mas também aprenderam a controlá-los independentemente, uma descoberta que aumenta drasticamente os elementos de design na eletrônica de ondas de luz.

Portas lógicas através de lasers

Usando esse cenário de controle aumentado, a equipe conseguiu demonstrar experimentalmente, pela primeira vez, portas lógicas que operam em uma escala de tempo de femtosegundos.

As portas lógicas são os blocos de construção básicos necessários para os cálculos. Eles controlam como as informações recebidas, que assumem a forma de 0 ou 1 (conhecidas como bits), são processadas. As portas lógicas requerem dois sinais de entrada e produzem uma saída lógica.

No experimento dos pesquisadores, os sinais de entrada são a forma ou fase de dois pulsos de laser sincronizados, cada um escolhido para gerar apenas uma explosão de portadores de carga reais ou virtuais. Dependendo das fases do laser utilizadas, essas duas contribuições para as correntes podem se somar ou se cancelar. O sinal elétrico líquido pode ser atribuído à informação lógica 0 ou 1, produzindo uma porta lógica ultrarrápida.

"Provavelmente levará muito tempo até que essa técnica possa ser usada em um chip de computador, mas pelo menos agora sabemos que a eletrônica de ondas de luz é praticamente possível", diz Tobias Boolakee, que liderou os esforços experimentais como Ph.D. estudante da FAU.

"Nossos resultados abrem caminho para eletrônica ultrarrápida e processamento de informações", diz Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade McGill.

"O incrível dessa porta lógica", diz Franco, "é que as operações não são executadas em gigahertz, como em computadores comuns, mas em petahertz, que são um milhão de vezes mais rápidos. Isso se deve aos pulsos de laser realmente curtos usados que ocorrem em um milionésimo de bilionésimo de segundo."

Dos fundamentos às aplicações

Essa nova tecnologia potencialmente transformadora surgiu de estudos fundamentais de como a carga pode ser conduzida em sistemas de nanoescala com lasers.

"Através da teoria fundamental e sua conexão com os experimentos, esclarecemos o papel dos portadores de carga virtuais e reais nas correntes induzidas por laser, e isso abriu caminho para a criação de portas lógicas ultrarrápidas", diz Franco.

O estudo representa mais de 15 anos de pesquisa de Franco. Em 2007, como Ph.D. estudante da Universidade de Toronto, ele desenvolveu um método para gerar correntes elétricas ultrarrápidas em fios moleculares expostos a pulsos de laser de femtossegundos. Essa proposta inicial foi posteriormente implementada experimentalmente em 2013 e o mecanismo detalhado por trás dos experimentos explicado pelo grupo Franco em um estudo de 2018. Desde então, houve o que Franco chama de crescimento experimental e teórico "explosivo" nessa área.

"Esta é uma área onde teoria e experimentos se desafiam e, ao fazê-lo, revelam novas descobertas fundamentais e tecnologias promissoras", diz ele.

 

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