p (PhysOrg.com) - Cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley, demonstraram uma nova tecnologia para o grafeno que poderia quebrar os limites de velocidade atuais nas comunicações digitais. p A equipe de pesquisadores, liderado pelo professor de engenharia da UC Berkeley, Xiang Zhang, construiu um pequeno dispositivo óptico que usa grafeno, uma camada de carbono cristalizado com um átomo de espessura, para ligar e desligar a luz. Essa capacidade de comutação é a característica fundamental de um modulador de rede, que controla a velocidade na qual os pacotes de dados são transmitidos. Quanto mais rápido os pulsos de dados são enviados, quanto maior o volume de informações que podem ser enviadas. Moduladores baseados em grafeno podem em breve permitir que os consumidores façam streaming de comprimento total, alta definição, Filmes 3-D em um smartphone em questão de segundos, disseram os pesquisadores.

p "Este é o menor modulador óptico do mundo, e o modulador nas comunicações de dados é o coração do controle de velocidade, "disse Zhang, que dirige um Centro de Ciência e Engenharia em nanoescala da National Science Foundation (NSF) na UC Berkeley. "O grafeno nos permite fazer moduladores que são incrivelmente compactos e que funcionam potencialmente em velocidades até dez vezes mais rápidas do que a tecnologia atual permite. Esta nova tecnologia aumentará significativamente nossas capacidades em comunicação óptica e computação ultrarrápida."

p Neste último trabalho, descrito na publicação online avançada da revista em 8 de maio Natureza , os pesquisadores conseguiram sintonizar o grafeno eletricamente para absorver a luz em comprimentos de onda usados ​​na comunicação de dados. Este avanço adiciona mais uma vantagem ao grafeno, que ganhou reputação como um material maravilhoso desde 2004, quando foi extraído da grafite pela primeira vez, o mesmo elemento em grafite. Essa conquista rendeu aos cientistas da Universidade de Manchester Andre Geim e Konstantin Novoselov o Prêmio Nobel de Física no ano passado.

p Zhang trabalhou com o outro membro do corpo docente Feng Wang, professor assistente de física e chefe do Ultrafast Nano-Optics Group na UC Berkeley. Zhang e Wang são cientistas docentes da Divisão de Ciência de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

p "O impacto desta tecnologia será de longo alcance, "disse Wang." Além das operações de alta velocidade, moduladores baseados em grafeno podem levar a aplicações não convencionais devido à flexibilidade do grafeno e facilidade de integração com diferentes tipos de materiais. O grafeno também pode ser usado para modular novas faixas de frequência, como luz infravermelha média, que são amplamente utilizados em sensoriamento molecular. "

p O grafeno é o mais fino, o material cristalino mais forte já conhecido. Pode ser esticado como borracha, e tem a vantagem adicional de ser um excelente condutor de calor e eletricidade. Esta última qualidade do grafeno o torna um material particularmente atraente para a eletrônica.

p "O grafeno é compatível com a tecnologia de silício e é muito barato de fazer, "disse Ming Liu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zhang e co-autor do estudo. "Pesquisadores na Coreia no ano passado já produziram folhas de 30 polegadas dele. Além disso, muito pouco grafeno é necessário para uso como modulador. O grafite em um lápis pode fornecer grafeno suficiente para fabricar 1 bilhão de moduladores ópticos. "

p É o comportamento dos fótons e elétrons no grafeno que primeiro chamou a atenção dos pesquisadores da UC Berkeley.

p Os pesquisadores descobriram que a energia dos elétrons, referido como seu nível de Fermi, pode ser facilmente alterado dependendo da voltagem aplicada ao material. O nível de Fermi do grafeno, por sua vez, determina se a luz é absorvida ou não.

p Quando uma tensão negativa suficiente é aplicada, elétrons são retirados do grafeno e não estão mais disponíveis para absorver fótons. A luz é "acesa" porque o grafeno se torna totalmente transparente à medida que os fótons passam.

p O grafeno também é transparente em certas tensões positivas porque, nessa situação, os elétrons ficam compactados com tanta força que não conseguem absorver os fótons.

p Os pesquisadores encontraram um ponto ideal no meio, onde há apenas voltagem suficiente aplicada para que os elétrons possam impedir a passagem dos fótons, efetivamente desligando a luz.

p "Se o grafeno fosse um corredor, e os elétrons eram pessoas, você poderia dizer isso, quando o corredor está vazio, não há ninguém por perto para parar os fótons, "disse Xiaobo Yin, co-autor principal do artigo da Nature e cientista pesquisador no laboratório de Zhang. "No outro extremo, quando o salão está muito lotado, as pessoas não podem se mover e são ineficazes para bloquear os fótons. É entre esses dois cenários que os elétrons podem interagir e absorver os fótons, e o grafeno fica opaco. "

p Em seu experimento, os pesquisadores colocaram camadas de grafeno em cima de um guia de ondas de silício para fabricar moduladores ópticos. Os pesquisadores conseguiram atingir uma velocidade de modulação de 1 gigahertz, mas eles notaram que a velocidade poderia, teoricamente, chegar a 500 gigahertz para um único modulador.

p Embora os componentes baseados em ótica tenham muitas vantagens sobre aqueles que usam eletricidade, incluindo a capacidade de transportar pacotes de dados mais densos com mais rapidez, as tentativas de criar interconexões ópticas que se encaixem perfeitamente em um chip de computador foram prejudicadas pela quantidade relativamente grande de espaço necessária na fotônica.

p As ondas de luz são menos ágeis em espaços apertados do que suas contrapartes elétricas, os pesquisadores notaram, portanto, as aplicações baseadas em fótons foram confinadas principalmente a dispositivos de grande escala, como linhas de fibra óptica.

p "Os elétrons podem facilmente fazer uma curva em forma de L porque os comprimentos de onda em que operam são pequenos, "disse Zhang." Os comprimentos de onda da luz são geralmente maiores, então eles precisam de mais espaço para manobrar. É como fazer uma longa, uma limusine em vez de uma motocicleta dobrando a esquina. É por isso que a ótica requer espelhos volumosos para controlar seus movimentos. Reduzir o dispositivo óptico também o torna mais rápido, porque a camada atômica única de grafeno pode reduzir significativamente a capacitância - a capacidade de manter uma carga elétrica - que muitas vezes atrapalha a velocidade do dispositivo. "

p Moduladores baseados em grafeno podem superar a barreira de espaço dos dispositivos ópticos, disseram os pesquisadores. Eles reduziram com sucesso um modulador óptico baseado em grafeno para uns relativamente minúsculos 25 mícrons quadrados, um tamanho cerca de 400 vezes menor que um fio de cabelo humano. A pegada de um modulador comercial típico pode ser tão grande quanto alguns milímetros quadrados.

p Mesmo com um tamanho tão pequeno, o grafeno oferece uma grande capacidade de largura de banda. O grafeno pode absorver um amplo espectro de luz, variando ao longo de milhares de nanômetros de comprimento de onda ultravioleta a infravermelho. Isso permite que o grafeno carregue mais dados do que os moduladores de última geração atuais, que operam em uma largura de banda de até 10 nanômetros, disseram os pesquisadores.

p "Os moduladores baseados em grafeno não oferecem apenas um aumento na velocidade de modulação, eles podem permitir grandes quantidades de dados compactados em cada pulso, "disse Zhang." Em vez de banda larga, teremos 'extremeband'. O que vemos aqui e no futuro com moduladores baseados em grafeno são melhorias tremendas, não apenas em eletrônicos de consumo, mas em qualquer campo que agora é limitado pelas velocidades de transmissão de dados, incluindo bioinformática e previsão do tempo. Esperamos ver aplicações industriais deste novo dispositivo nos próximos anos. "