A primeira porta lógica a operar em escalas de tempo de femtosegundos pode ajudar a inaugurar uma era de processamento de informações em frequências de petahertz – um milhão de vezes mais rápido que os computadores em escala de gigahertz de hoje. O novo portão, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Rochester nos EUA e da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) na Alemanha, é uma aplicação da eletrônica de ondas de luz – essencialmente, embaralhar elétrons com campos de luz – e aproveita ambos operadoras de cobrança reais e virtuais.
Na eletrônica de ondas de luz, os cientistas usam a luz do laser para guiar o movimento dos elétrons na matéria e, em seguida, exploram esse controle para criar elementos de circuitos eletrônicos. “Como a luz oscila tão rápido (aproximadamente algumas centenas de milhões de vezes por segundo), o uso da luz pode acelerar a eletrônica por um fator de aproximadamente 10.000 em comparação com os chips de computador”, diz Tobias Boolakee, físico de laser do grupo de Peter Hommelhoff na FAU e o primeiro autor de um estudo na Nature sobre o novo portão. “Com nosso trabalho atual, pudemos propor a ideia de uma primeira porta lógica acionada por campo de luz (o bloco de construção fundamental para qualquer arquitetura de computador) e também demonstrar experimentalmente seu princípio de funcionamento.”
No trabalho, Boolakee e colegas prepararam minúsculos fios à base de grafeno conectados a dois eletrodos de ouro e os iluminaram com um pulso de laser com duração de algumas dezenas de femtossegundos (10-15 s). Esse pulso de laser excita, ou põe em movimento, os elétrons no grafeno e faz com que eles se propaguem em uma direção específica – gerando assim uma corrente elétrica líquida.
Portadores de cobrança virtuais e reais
Pesquisadores da FAU e Rochester têm trabalhado em eletrônica de ondas de luz na última década, e o trabalho mais recente tira proveito de sua recente descoberta de que excitar a junção ouro-grafeno excita dois tipos diferentes de portadores de carga eletrônica: virtual e real. As portadoras virtuais são definidas apenas em um movimento direcional líquido enquanto o pulso do laser está ligado, explicam os pesquisadores e, como tal, são transitórios. A contribuição dos portadores virtuais para a corrente líquida deve, portanto, ser medida durante a excitação da luz.
Os pesquisadores realizaram essa medição sondando uma polarização líquida induzida pelos portadores virtuais nos eletrodos de ouro ligados ao grafeno. Os portadores de carga reais, por sua vez, continuam se propagando na direção preferida mesmo depois que o pulso do laser é desligado, de modo que sua contribuição para a corrente líquida pode ser medida após o término da excitação da luz.
De acordo com os pesquisadores, os resultados da medição foram “impressionantes”: ao alterar a forma do pulso do laser, eles descobriram que poderiam gerar correntes nas quais apenas os portadores de carga reais ou apenas os virtuais desempenham um papel. Ser capaz de controlar os dois tipos diferentes de portadores de carga dessa maneira permitiu que eles fizessem uma porta lógica operando na escala de tempo de femtossegundos pela primeira vez.
Operações de porta lógica
A ideia básica da nova porta lógica é codificar dois sinais binários (0 e 1, como é padrão em lógica de computador) na forma de dois pulsos de laser de poucos ciclos – ou seja, em sua fase “carrier-envelope”, Hommelhoff explica. Quando esses dois pulsos de laser interagem com a heteroestrutura ouro-grafeno, cada um deles produz um pulso de corrente ultrarrápido. Assim, a partir dos dois pulsos de laser recebidos, os pesquisadores podem gerar dois pulsos de corrente que se somam ou se cancelam.
“Um sinal de saída binário (novamente 0 ou 1) é obtido a partir do nível da corrente elétrica resultante medida em um dos eletrodos de ouro”, disse Hommelhoff ao Physics World. “A escala de tempo para as operações lógicas é fundamentalmente limitada pelo tempo de ativação dos dois pulsos de corrente, que é intrinsecamente dado pelos mecanismos subjacentes da mecânica quântica acionados pela frequência do pulso de laser”.
Com os parâmetros usados em seu experimento, a equipe Rochester-FAU antecipa um limite superior para a largura de banda de sua porta lógica na frequência óptica de 0,36 Hz, ou equivalentemente, 2,8 fs.
Enquanto os pesquisadores estão – pelo menos no momento – hesitantes sobre aplicações diretas para o novo portão, eles dizem que o próximo passo será provar que ele pode operar em escalas de tempo muito mais rápidas do que a eletrônica convencional. “Temos certeza de que esse é o caso, mas expandir nosso sistema para mais portas para formar uma lógica complexa será um problema muito maior: aqui precisaremos encontrar maneiras de manter as velocidades altas”, diz Boolakee.
Quanto à integração desses portões em dispositivos reais, a equipe observa que o sistema precisará ser muito menor do que é agora. Isso significará recorrer a esquemas ópticos de campo próximo para contornar o fato de que o foco do laser não pode ser muito menor do que os comprimentos de onda dos pulsos de laser de condução reais (cerca de 800 nm), o que é muito grande para as escalas de comprimento da eletrônica.
“Finalmente, os pulsos de laser que usamos neste trabalho precisam ser bastante intensos, o que é outro ponto que dificultará a ampliação”, diz Hommelhoff. “Em essência, é necessária uma pesquisa muito mais fundamental e bem aplicada para transformar essa demonstração de prova de princípio em uma nova tecnologia. Mas pelo menos demos o passo inicial: a demonstração de uma nova porta lógica.”
Publicado em 10/07/2022 11h47
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