Transístor funciona com um único elétron

Uma equipe internacional de pesquisadores, com participação de brasileiros, criou um transístor de um único elétron.

© U. Pittsburgh (esquema do transístor de elétron único)

A pesquisa está em uma área de fronteira entre a eletrônica tradicional e a computação quântica,  chamada atomotrônica.

O transístor de elétron único tanto poderia ser útil para a criação de memórias ultradensas, levando a miniaturização a um novo patamar, quanto funcionar como um qubit para um computador quântico.

Em 2006, a equipe do professor Jeremy Levy, da Universidade de Pittsburgh, criou pontos quânticos de germânio que, colocados sobre um substrato de silício, com precisão de 2 nanômetros, eram capazes de aprisionar elétrons individuais.

Em 2009, o mesmo grupo criou uma plataforma universal para fabricar componentes eletrônicos com dimensões próximas à escala atômica.

Agora eles criaram uma "ilha de elétrons" que mede apenas 1,5 nanômetro de diâmetro. A ilha se torna o elemento central do transístor de elétron único quando recebe um ou dois elétrons.

Os elétrons são levados até lá por meio de nanofios, que funcionam como os eletrodos do transístor. O número de elétrons aprisionados, que pode ser apenas zero, um ou dois, altera as propriedades de condução do dispositivo.

Os elétrons tunelam de um fio para o outro através da ilha. A tensão elétrica no terceiro fio controla as propriedades condutoras do local, fazendo com que o elétron possa ou não tunelar, funcionamento como transístor.

A principal vantagem do transístor de elétron único é a sua extrema sensibilidade a uma carga elétrica, o que o torna potencialmente um sensor elétrico, com um nível inédito de precisão.

O componente é ferroelétrico, o que significa que ele pode funcionar como uma memória de estado sólido que não perde os dados na ausência de eletricidade. A ferroeletricidade também torna o transístor sensível a pressões em escala nanométrica, o que o torna potencialmente útil como um sensor de força.

Fonte: Nature

Transístor óptico gerado pela rotação da luz

Físicos austríacos usaram o magnetismo para rotacionar feixes de luz, criando um componente totalmente óptico que funcionalmente equivale ao transístor eletrônico, um transístor de luz.

© Robert Lettow (ilustração de um transístor óptico)

A rotacção da luz é um feito recente, de grande interesse científico e tecnológico, criando experimentos que já distinguem entre luz torcida e luz super torcida.

Mas o avanço agora foi significativo: além de muito mais intenso, o efeito foi obtido utilizando camadas ultrafinas de um material semicondutor, o telureto de mercúrio.

As ondas de luz podem oscilar em diferentes direções, de forma parecida com a corda de um violão, cuja direção da vibração depende de como ela foi tocada. Esse fenômeno é chamado polarização da luz.

A polarização da luz pode variar quando o feixe passa através de um material sujeito a um forte campo magnético, um fenômeno conhecido como Efeito Faraday.

"Até agora, entretanto, esse efeito só havia sido observado em materiais nos quais ele é muito fraco," explica o Dr. Andrei Pimenov, da Universidade de Viena.

Ele e seu colega Alexey Shuvaev obtiveram um Efeito Faraday várias ordens de magnitude mais forte do que já havia sido medido até hoje, usando materiais semicondutores extremamente puros e um comprimento de onda específico da luz.

As ondas de luz podem ser rotacionadas em direções arbitrárias, a direção da polarização pode ser ajustada com um campo magnético externo.

Em vez de um equipamento óptico altamente complexo, os pesquisadores estão fazendo isto usando camadas ultrafinas do material semicondutor, medindo menos de um milésimo de milímetro de espessura. Outros materiais com tal espessura não conseguem rotacionar a luz em mais do que um grau.

A chave para esse efeito inusitado está no comportamento dos elétrons no semicondutor. O feixe de luz faz os elétrons oscilarem, e o campo magnético dirige seu movimento vibratório.

Esse complicado movimento dos elétrons, por sua vez, afeta o feixe de luz e altera a direção de sua polarização.

Se, ao sair do rotacionador, a luz é dirigida para um filtro polarizador, que só permite a passagem de luz com uma direção específica de polarização, os pesquisadores podem decidir se a luz deve passar ou não controlando o campo magnético de seu dispositivo.

Isso torna o dispositivo um transístor óptico, em que a passagem ou não de um sinal óptico pode ser controlado externamente.

Em um transístor eletrônico tradicional, o controle é feito por um campo elétrico, enquanto neste transístor óptico o controle é feito por um campo magnético, mas o funcionamento de ambos é absolutamente similar.

"Há anos, as frequências de clock dos computadores não têm aumentado porque se alcançou um limite, no qual as propriedades dos materiais simplesmente não respondem mais," diz Pimenov.

Uma possível solução é complementar os circuitos eletrônicos com elementos ópticos, como o transístor de luz recentemente criado.

Fonte: Physical Review Letters

Transístor de plástico flexível

Na busca pelo desenvolvimento de aparelhos eletrônicos flexíveis, um dos maiores obstáculos tem sido a criação de transistores com estabilidade suficiente para funcionar em vários ambientes.

© Gatech (transístor de plástico dobrável)

A diferença entre o frio seco e congelado do norte da Europa e o calor úmido dos trópicos tem sido demais para a eletrônica orgânica, cujos componentes flexíveis são feitos basicamente de plástico.

Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, desenvolveram uma técnica que combina os transistores orgânicos de efeito de campo com uma porta isolante de duas camadas.

Isto permite que o transístor funcione com uma estabilidade sem precedentes e com um nível adequado de desempenho, que não depende apenas dos semicondutores propriamente ditos, mas também da interface entre os semicondutores e as portas dielétricas, ou isolantes.

O novo transístor orgânico pode ser produzido em massa, com técnicas industriais, em uma atmosfera normal, pois a fabricação em temperaturas mais baixas é essencial para que o componente seja compatível com os dispositivos de plástico em que deverá funcionar.

A bicamada dielétrica é feita de um polímero fluorado, conhecido como CYTOP, e de uma camada de óxido metálico de elevada constante dielétrica, criada por deposição de camadas atômicas.

Quando usadas isoladamente, cada uma dessas substâncias tem suas vantagens e desvantagens.

O CYTOP é conhecido por formar poucos defeitos na interface do semicondutor orgânico, mas também tem uma constante dielétrica muito baixa, o que requer um aumento na tensão de funcionamento.

O metal-óxido de k elevado utiliza baixa tensão, mas não tem boa estabilidade por causa de um elevado número de defeitos na interface.

Bernard Kippelen e sua equipe descobriram que a combinação dos dois materiais anula em grande parte os defeitos das substâncias isoladas. Anteriormente, a equipe de Kippelen já havia construído um transístor orgânico usando carbono 60.

© Advanced Materials (ciclos de funcionamento dos transístores)

Os transistores sobreviveram a mais de 20.000 ciclos de funcionamento, sem nenhuma degradação, mesmo quando foram submetidos ao dobro da sua corrente nominal. Mesmo dentro de uma câmara de plasma eles funcionaram por cinco minutos sem degradação.

Fonte: Advanced Materials

Grafite curvo controla o spin de elétrons

Uma equipe da Universidade de Copenhague, na Dinamarca, descobriu que tubos finos de grafite conseguem controlar a interação entre o movimento do elétron e uma propriedade da partícula conhecida como spin, feito que pode ter consequências para o desenvolvimento da nanoeletrônica.

©  Instituto Niels Bohr (ilustração do feixe de elétrons no grafite)

Na parte de cima da ilustração, o feixe de elétrons, sob influência da fina cama da grafite "curva". Abaixo, o comportamento anárquico em uma superfície plana. O movimento dos elétrons é mostrado, no cilindro, pelos círculos pretos e a 'direção' do spin, pelas barras vermelhas e brancas.

Trabalhando em parceria com pesquisadores japoneses, o grupo descobriu que quando a superfície do grafite está reta, não ocorre a influência do no spin dos elétrons. Mas quando o material é "enrolado", formando um cilindro, a interação entre o movimento dos elétrons e o spin acontece de forma orientada.

Ao fazer os elétrons se moverem no tubo de apenas poucos nanômetros de diâmetro, circulando a superfície de grafite, a "direção" do spin segue o alinhamento do tubo.

O grafite é feito de carbono, um dos principais elementos químicos conhecido e que forma desde organismos até diamantes. Um dos derivados do grafite é o grafeno, material semicondutor que rendeu o prêmio Nobel de Física de 2010 a André Geim e Konstantin Novoselov, por pesquisas realizadas seis anos antes.

O elemento também apresenta potencial para servir como base para componentes de computação como chips, com o desenvolvimento de materiais com espessura de átomos. Mas até a pesquisa do Instituto Niels Bohr surgir, o desenvolvimento de materiais com aproveitamento do spin eletrônicos era tido como duvidável, já que é difícil "controlar" e medir a propriedade.

O spin não é uma grandeza espacial como o comprimento ou a largura, mas é um valor que muda nas partículas fundamentais. No caso dos elétrons, a propriedade do spin está relacionada com a proximidade da partícula a um campo magnético.

Ao escolher um número definido de elétrons, os pesquisadores dinamarqueses conseguiram fazer o spin de elétrons ser alinhado com tubos feitos de carbono, com imperfeições e impurezas, o que representa situações mais próximas à realidade dos materiais.

O carbono apresenta também vantagens na comparação com outros elementos químicos como o ouro, no qual o movimento dos elétrons também influencia bastante o spin, mas sob o qual não é possível obter controle ao manipular em laboratório.

Fonte: Nature Physics

O diodo quântico além do silício

Pesquisadores da Universidade do Estado de Oregon, nos Estados Unidos, construíram um novo componente eletrônico que vinha desafiando a ciência há quase 50 anos.

© Advanced Materials (diodo MIM)

Douglas Keszler e seus colegas construíram um diodo MIM (metal-isolante-metal), que poderá se tornar a base para uma nova abordagem na construção de circuitos eletrônicos.

Os circuitos eletrônicos são feitos com materiais à base de silício, usando transistores que funcionam controlando o fluxo dos elétrons.

Apesar de rápidos e relativamente baratos, esses componentes eletrônicos são limitados pela velocidade com que os elétrons podem mover-se através do silício e de outros materiais que entram em sua composição

Em contrapartida, um diodo MIM pode ser usado para executar algumas das funções dos componentes atuais, mas de uma forma fundamentalmente diferente.

A grande vantagem é que os elétrons não têm que se mover através dos materiais, eles simplesmente tunelam através do isolante, aparecendo quase que instantaneamente do outro lado.

O tunelamento quântico é um efeito quântico que permite que um elétron, ou outra partícula, atravesse diretamente uma barreira. Isso é possível porque os elétrons apresentam comportamento tanto de partícula quanto de onda.

Os cientistas utilizaram um contato metálico amorfo para resolver os problemas que até hoje impediam a realização dos diodos MIM. O material isolante é o tradicional óxido de silício (SiO2).

Até agora os cientistas vinham usando principalmente o alumínio, que produz uma superfície relativamente rugosa em nanoescala. A equipe de Keszler optou por uma liga metálica (ZrCuAlNi) que produz filmes finos extremamente lisos, que permite o controle muito mais preciso do fluxo de elétrons.

Segundo os pesquisadores, os diodos foram fabricados "a temperaturas relativamente baixas", usando técnicas que podem ser ampliadas para uso em uma grande variedade de substratos e em pastilhas de grandes dimensões.

O diodo MIM poderá ser usado com uma grande variedades de metais baratos e largamente disponíveis, como cobre, níquel ou alumínio. Ele é também muito mais simples, mais barato e mais fácil de fabricar.

Há muito tempo é procurado algo que possibilite levar além do silício. E quando esses produtos começarem a emergir, os ganhos na velocidade de operação dos circuitos será enorme.

Fonte: Advanced Materials

Criado leitor de elétrons individuais

Um grupo de engenheiros e físicos da Universidade de Nova Gales do Sul e da Universidade de Melbourne, na Austrália, culminando um esforço de 10 anos de pesquisas, criou um dos principais componentes necessários para viabilizar um computador quântico baseado no silício.

© Nature (leitor de elétrons)

Os computadores quânticos prometem aumentos exponenciais na velocidade do processamento usando o spin de elétrons individuais, em vez da avalanche de elétrons consumida em cada bit processado pelos computadores atuais.

Para isso, o computador quântico precisará tanto de uma maneira de mudar o estado do spin (escrevendo o dado), quando de medir esse estado (lendo o dado).

Ao criar o leitor de um único elétron, a equipe dos professores Andrea Morello e André Dzurak tornou possível pela primeira vez a medição do spin de um elétron em um experimento único usando componentes à base de silício.

O dispositivo detecta o estado do spin de um único elétron em átomos individuais de fósforo implantados em um bloco de silício. O estado de spin do elétron controla o fluxo de elétrons em um circuito associado. Medindo o fluxo dos elétrons nesse circuito, na verdade um transístor de um único átomo, é possível ler o spin do elétron.

O uso do silício, em vez de aparatos ópticos ou materiais mais exóticos, torna mais factível a integração do componente em um futuro computador quântico que seja mais simples, escalável e cuja produção em massa seja possível.

Em 2006, Christoph Boehme e seus colegas da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, conseguiram ler o spin de aglomerados contendo 10.000 átomos de fósforo incorporados no silício. Agora, os pesquisadores conseguiram ler o spin de elétrons individuais, a última fronteira nessa "cabeça de leitura" quântica.

Foi observado um tempo de vida do spin de 6 segundos num campo magnético de 1,5 T (tesla). A seguir a tabela mostra a taxa de relaxão de spin em função do campo magnético.

© Nature (taxa de relaxação em função do campo magnético)

Agora que a equipe criou um leitor de um único elétron, eles estão trabalhando para concluir rapidamente uma forma de "escrever" o spin de um único elétron, e combinar os dois. A seguir, eles vão combinar pares desses dois componentes para criar uma porta lógica de 2 bits, a unidade básica de processamento de um computador quântico.

Fonte: Nature

Teoria sobre moléculas que piscam

O físico Boldizsár Jankó e seus colegas da Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos, finalmente descobriram a fonte de um dos grandes mistérios da físico-química: moléculas que cintilam.

© Boldizsár Jankó (pontos quânticos e fluorescência)

Há mais de um século, o físico Neils Bohr, um dos pais da mecânica quântica, previu os chamados saltos quânticos. Sua teoria diz que os elétrons não se moviam suavemente para cima e para baixo em relação ao núcleo do átomo. Em vez disso, eles ocupariam órbitas bem determinadas, e só se movimentariam entre elas dando saltos quânticos, eventualmente emitindo luz quando o salto quântico os levasse para órbitas de menor energia.

Apesar dessa ideia ter sido altamente controversa nos tempo de Bohr, ela passou a ser aceita pelos físicos e foi finalmente observada experimentalmente em 1980. Mais recentemente, com o desenvolvimento de técnicas de imageamento capazes de filmar moléculas, foi possível observar saltos semelhantes em moléculas individuais.

Durante os experimentos, estes saltos quânticos puderam ser vistos como interrupções discretas na emissão de luz contínua de algumas moléculas, revelando um fenômeno que passou a ser conhecido como intermitência da fluorescência.

No entanto, embora alguns casos dos pisca-piscas moleculares possam ser diretamente atribuídos aos saltos quânticos originais de Bohr, há um número muito maior de casos onde a intermitência da fluorescência não segue as previsões da teoria.

E são casos de grande importância não apenas para a ciência, mas também para a tecnologia: proteínas fluorescentes, largamente utilizadas em biomedicina, moléculas captadoras de luz, importantes tanto para a fotossíntese quanto para as células solares, e, mais recentemente, estruturas inorgânicas criadas pela nanotecnologia, são alguns exemplos.

Como o fenômeno das moléculas piscantes não se enquadrava na teoria da mecânica quântica, os físicos consideraram por muito tempo que o fato de as moléculas "ligarem" e "desligarem" sua fluorescência eram fenômenos isolados, não relacionados um com o outro.

Até que, em 2007, o físico argentino Fernando Stefani, da Universidade de Buenos Aires, publicou um trabalho no qual ele demonstrava indícios de uma estreita correlação entre o ligar e o desligar dessas estrelas moleculares. Mas os pesquisadores continuaram sem um modelo teórico capaz de explicar essas correlações.

Agora, Jankó e seu grupo finalmente desenvolveram um modelo que explica os fenômenos de intermitência da fluorescência e que confirma o que Stefani observou experimentalmente. Ou seja, o acender e o apagar das moléculas fluorescentes são mesmo oriundos de um mesmo fenômeno. Se o processo de intermitência das moléculas puder ser controlado, então a emissão de luz dos pontos quânticos também poderá.

© Boldizsár Jankó (nanofios semicondutores e fluorescência)

Esses fundamentos científicos poderão ser a base para a aplicação nos nanofios, usados para gerar energia a partir do movimento; para a geração de imagens precisas de células cancerígenas individuais e de imagens em tempo real de uma infecção viral, como o HIV, dentro de uma célula; e também de uma nova geração de "telas quânticas" superbrilhantes para computadores, TVs, telefones celulares e outros aparelhos eletrônicos; e mesmo de novas técnicas de iluminação ambiente para residências e escritórios.

Fonte: Nano Letters

Técnica para medir rotação da luz

A luz pode ter um "momento angular orbital", uma espécie de rotação, mas que se parece mais com um planeta orbitando ao redor do Sol do que girando sobre seu próprio eixo.

© U. F. de Alagoas (rotação da luz com difração triangular)

Medir essa propriedade é complicado, mas pesquisadores brasileiros mostram que dirigir um feixe luminoso através de um buraco triangular cria uma matriz triangular de pontos que indica diretamente a dinâmica orbital angular desse feixe.

A técnica, simples e elegante, é uma ferramenta importante para explorar uma propriedade incomum da luz, que poderá no futuro ser usada para codificar informações quânticas.

Quando um feixe de luz possui momento angular, esse momento angular pode ter dois elementos. O momentum angular "spin" corresponde à polarização circular da luz para a direita ou para esquerda, o que significa que a direção do campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário conforme a luz se move para a frente.

O momento angular orbital ocorre quando a direção do campo elétrico varia no interior do feixe. Por exemplo, imagine medir a direção do campo elétrico em cada ponto ao redor de um feixe de luz de grande diâmetro. Ele pode apontar para cima, para a direita, para baixo, ou para a esquerda.

Este feixe pode ter uma unidade de momento angular orbital, uma "carga topológica" de um. O campo de um feixe de carga dois poderia dar duas rotações completas conforme você se move ao redor de seu contorno.

Os pesquisadores esperam aproveitar esta propriedade para transportar informações com a luz, exatamente como eles já fazem com a polarização, pois enquanto cada fóton tem apenas dois estados de spin distintos, há potencialmente infinitos estados do momento angular orbital. O problema é que até agora não havia um método de distinguir os diversos estados do momento angular orbital de forma eficiente.

Os físicos já haviam descoberto como gerar feixes que possuam momento angular orbital e usá-los para exercer torque sobre partículas, movimentando-as.

Mas Jandir Miguel Hickmann e seus colegas da Universidade Federal de Alagoas, em Maceió, afirmam que há uma quantidade muito pequena de pesquisas que exploram o que acontece quando esses raios de luz passam por aberturas muito pequenas.

Esses experimentos de difração geram padrões de pontos que os físicos vêm usando há muito tempo para analisar as propriedades da luz comum, mas as técnicas para medir o momento angular orbital são poucas e mais complicadas.

Quando Hickmann e seus colegas simularam a difração de feixes de luz passando através de furos de variados formatos, eles descobriram que o uso de um triângulo isósceles traz um benefício inesperado: "Você pode simplesmente contar os pontos para descobrir a carga topológica". Os pesquisadores também verificaram esta previsão experimentalmente.

A equipe calculou e observou que, uma vez que o feixe está centrado no furo, ele gera um padrão incomum: uma rede triangular de pontos. O brilho de cada ponto individual depende das contribuições combinadas da luz a partir de diferentes locais no buraco triangular.

Os cálculos preveem que os pontos mais brilhantes formam um triângulo cujo tamanho (o número de pontos em cada um dos seus lados) é uma unidade maior do que a magnitude da carga topológica.

Além disso, o padrão luminoso triangular é girado em 60 graus em qualquer direção em relação à abertura, com a direção dependendo do sinal da carga (o sentido de rotação da luz). Assim, a abertura triangular representa uma maneira fácil de medir a magnitude e o sinal do momento angular orbital.

Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, na Escócia, comentando o artigo dos brasileiros, afirmou que "Foi uma surpresa, pelo menos para mim, que haja uma relação tão simples e bonita" entre o número de pontos difratados, a orientação do padrão, a magnitude e o sinal da carga topológica.

Fonte: Physical Review Letters

Intel apresenta chip fotônico a laser

A Intel anunciou um avanço importante rumo à utilização de feixes de luz para substituir o uso da eletricidade no transporte dos dados nos computadores.

A empresa desenvolveu um protótipo de chip fotônico que realizou, pela primeira vez, uma transmissão óptica de dados com lasers integrados em um chip de silício.

© Intel (chip transmissor composto por quatro lasers)

O link óptico é capaz de transmitir dados a distâncias maiores e em velocidades muito mais rápidas do que é possível com a tecnologia atual, chegando a até 50 gigabits de dados por segundo, isso equivale a transferir um filme inteiro em alta definição a cada segundo. O feito é a primeira demonstração prática de um chip fotônico criado pela empresa em 2006.

Os chips dos computadores atuais são interligados por fios de cobre ou por trilhas metálicas nas placas de circuito impresso. Devido à degradação do sinal gerada quando metais são utilizados para transmitir dados, esses cabos têm que ser muito curtos.

Isso limita o projeto dos computadores, porque exige que processadores, memória e outros componentes sejam colocados a poucos centímetros uns dos outros.

O novo chip fotônico é um passo importante para substituir essas conexões, que usam elétrons para transferir dados por finíssimas fibras ópticas que usam fótons para transferir muito mais dados a distâncias muito maiores.

A grande vantagem do novo chip fotônico é a sua construção baseada no silício, que é muito mais barato e fácil de lidar do que outros materiais pesquisados na área, como o arseneto de gálio.

O impacto da fotônica à base de silício vai além do interior dos computadores. Com as taxas de transmissão de dados alcançadas com esta tecnologia é possível imaginar telas 3D gigantescas, ocupando paredes inteiras, com uma resolução tão alta que será difícil distinguir o ambiente da sala do ambiente do filme.

Os datacenters também terão muito a ganhar, podendo ficar espalhados por vários locais diferentes, em vez de ficarem restritos a espaços pequenos, limitados pelos grossos cabos de cobre que interligam os diversos servidores.

A tecnologia ainda não está pronta para chegar ao mercado, mas ela permite que os engenheiros testem novas ideias e aprimorem as tecnologias para transmitir dados a velocidades crescentes.

© Intel (link de dois chips fotônicos de silício)

O campo das telecomunicações já utiliza lasers para transmitir informações opticamente, mas essas tecnologias, em seu nível atual, são caras e volumosas demais para serem usadas dentro de um computador pessoal.

O link de 50Gbps é estabelecido por dois chips fotônicos de silício, ambos com lasers integrados, um funcionando como transmissor e outro como receptor.

O chip transmissor é composto por quatro lasers, cujos feixes de luz são dirigidos a um modulador óptico, responsável por codificar os dados a 12,5 Gbps. Os quatro feixes são então combinados e injetados em uma única fibra óptica, alcançando a taxa de transferência total de 50Gbps.

Na outra ponta do link, o chip receptor faz o inverso, separando a luz da fibra óptica nos quatro feixes individuais e enviando-os para os fotodetectores, que convertem os dados de volta em sinais elétricos.

Os pesquisadores já estão trabalhando para aumentar a taxa de transferência de dados. Para isso eles pretendem acelerar o modulador e aumentar o número de lasers por chip, abrindo caminho para os links ópticos do futuro, na faixa dos terabits por segundo, que é o suficiente para transferir todos os dados de um laptop típico em um segundo.

Fonte: Intel

Luz que faz curva em U

Segundo a Teoria da Relatividade, a gravidade de um corpo celeste maciço curva o espaço ao seu redor. Os cientistas estão tentando fazer o mesmo no chamado "espaço óptico", que não é nenhuma localidade em especial, mas tão somente o espaço no qual a luz viaja. Se o espaço óptico se curva, então a luz que viaja por ele faz o mesmo caminho. Sob outro ponto de vista, o que se está tentando fazer é forçar a luz a fazer curvas.

© Zhang Group (guia de onda plamônico)

Já longe da ficção, esses experimentos estão na base de todos os feitos da invisibilidade, que têm-se multiplicado em laboratórios ao redor do mundo. Mas o potencial da chamada óptica transformacional, que estuda o controle das ondas de luz, vai muito além: poderosos microscópios capazes de mostrar moléculas de DNA com luz visível, ou supercomputadores que usam a luz em vez dos sinais eletrônicos para processar a informação são outras possibilidades.

A ferramenta básica para controlar e manipular as ondas de luz são os metamateriais, materiais artificiais, geralmente mesclando metais e isolantes, ou dielétricos, para formar estruturas que interagem com a luz de forma não-natural.

Apesar dos sucessos alcançados no curto tempo de vida desse novo campo da ciência, os pesquisadores vinham encontrando dificuldades em ajustar as propriedades físicas dos metamateriais em nanoescala, sobretudo por causa dos metais, em escalas menores do que o comprimento de onda da luz que se quer manipular.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia, ambos os Estados Unidos, descobriu que esse empecilho pode ser removido com a combinação da óptica transformacional com um outro campo da ciência igualmente novo e promissor, conhecido como plasmônica.

Um plasmon é uma onda eletrônica que viaja pelo mar de elétrons na superfície de um metal. Assim como a energia das ondas de luz é transportada em unidades quantizadas de partículas chamadas fótons, a energia plasmônica é transportada em quase-partículas chamadas plasmons de superfície.

Os plasmons interagem fortemente com os fótons na interface metal/isolante de um metamaterial, formando uma outra quase-partícula, chamada polariton de plasmon de superfície.

A manipulação desses polaritons está no coração das surpreendentes propriedades ópticas dos metamateriais.

© Zhang Group (espalhamneto de polaritons)

O esquema da esquerda mostra o espalhamento dos polaritons de plasmons de superfície sobre uma interface metal-dielétrica com uma única saliência. O esquema da direita mostra como o espalhamento dos polaritons é suprimido quando o espaço óptico ao redor da saliência é modificado.

Liderados pelo Dr. Xiang Zhang, os pesquisadores modelaram uma "óptica transformacional plasmônica", uma forma de manipular o material dielétrico, ou isolante, adjacente a um metal, mas sem alterar o próprio metal.

A técnica permite que os polaritons viajem através de superfícies irregulares e curvas em uma ampla faixa de comprimentos de onda, sem sofrer perdas significativas por espalhamento.

Usando a nova abordagem, Zhang e sua equipe desenvolveram um guia de ondas plasmônico com uma curva de 180 graus que força a luz a fazer um retorno perfeito, sem qualquer alteração nas suas propriedades ou na sua energia.

Eles também projetaram uma versão plasmônica da lente de Luneburg, um tipo de lente esférica capaz de receber e refletir ondas ópticas de múltiplas direções ao mesmo tempo.

"Como as propriedades dos metais nos nossos metamateriais permanecem completamente inalteradas, nossa metodologia de óptica transformacional plasmônica fornece uma maneira prática para guiar a luz em escalas muito pequenas", diz Zhang.

O Dr. Xiang Zhang é um dos pioneiros no campo da manipulação da luz e da invisibilidade, embora ele afirme que os metamateriais trarão benefícios mais práticos do que elusivos mantos da invisibilidade. Seus feitos mais recentes incluem um nanolaser de estado sólido e um novo material para exames de ultrassom.

Fonte: Nano Letters

Velocidade do elétron em chips é aumentada

Cientistas coreanos conseguiram aumentar em 20 vezes a velocidade de elétrons em chips de silício, elemento básico na indústria de computação.

© David Scharf/SPL (chip de silício e chumbo)

Chips tradicionais de silício possuem um nível de resistência elétrica que impõe restrições à velocidade dos elétrons. Quanto mais rápido é seu movimento, mais rápida é a transmissão de informação e, consequentemente, o poder de processamento.

Para quebrar esses limites, cientistas estão considerando outros materiais, principalmente o grafeno, composto por uma camada fina de carbono que conduz eletricidade melhor que qualquer outra substância a temperatura ambiente.

O grafeno é capaz de fazer isso devido à interação entre sua estrutura de rede hexagonal e a estrutura eletrônica de seus átomos. Isso faz com que a resistência ao movimento das partículas seja muito pequeno, o que aumenta sua velocidade de locomoção. É como se a massa dos elétrons fosse menor comparado com a massa do elétron em uma camada de silício.

O problema é que é difícil de produzir grafeno em grandes quantidades. Agora Han Woong Yeom e sua equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul, acreditam poder imitar a condutividade do grafeno em silício.

Yeom e sua equipe adicionou uma camada de chumbo com a espessura de apenas um átomo sobre um bloco de silício. Porque a camada de chumbo é tão fina, o arranjo de seus átomos é influenciado pelos átomos de silício localizados abaixo.

A equipe suspeitava que os elétrons do chumbo iriam, por sua vez, influenciar a estrutura eletrônica do silício na interface.

Para testar essa hipótese, eles dispararam feixes de fótons de alta energia para remover elétrons da interface entre os dois materiais e mediram sua velocidade e energia. Ao subtrair a energia dos fótons, eles calcularam que alguns dos elétrons na interface possuíam uma massa aparente 1/20 da massa normalmente medida em chips de silício. Sugerindo que os elétrons estão se movendo 20 vezes mais rapidamente. Embora isso represente apenas um terço da velocidade dos elétrons em grafeno, não significa que a redução de resistência tenha chegado a seu limite. O uso de diferentes materiais para cobrir o silício, por exemplo, poderiam reduzir ainda mais a resistência e aumentar a velocidade da condução elétrica.

Os chips de silício mais rápidos poderiam rapidamente ultrapassar o grafeno na corrida para obter processadores mais eficientes, pois a infraestrutura de manufatura com esse material já está instalada.

Fonte: Physical Review Letters

Criado um transistor com apenas sete átomos

Pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul (Austrália) e da Universidade de Wisconsin-Madison (Estados Unidos da América) anunciaram o desenvolvimento de um transistor com apenas sete átomos. Os transistores são pequenos interruptores usados para a construção de chips.

© Universidade de Nova Gales do Sul (microchips)

A criação de transistores tão pequenos é o primeiro passo para o desenvolvimento de computadores menores e mais poderosos.

Os autores da façanha substituíram sete átomos em um cristal do elemento químico silício por sete átomos de fósforo.

Um chip poderia conter bilhões desses novos transistores, gerando um salto exponencial no poder de processamento dos computadores atuais.

Mas o uso em escala industrial do transistor atômico ainda está longe, pois ele foi criado manualmente. Com o auxílio de um microscópio eletrônico de tunelamento, os pesquisadores inseriram um por um os átomos de fósforo. Esta tecnologia pode ser o primeiro estágio para a criação de um computador quântico.

Fonte: Nature Nanotechnology