Nas últimas quatro décadas, a indústria de eletrônicos tem sido impulsionada pela chamada "Lei de Moore, "que não é uma lei, mas sim um axioma ou observação. Efetivamente, sugere que os dispositivos eletrônicos dobram de velocidade e capacidade a cada dois anos. E realmente, todos os anos, as empresas de tecnologia apresentam novos, mais rápido, gadgets mais inteligentes e melhores.

Especificamente, Lei de Moore, conforme articulado pelo cofundador da Intel Gordon Moore, é que "o número de transistores incorporados em um chip dobrará aproximadamente a cada 24 meses." Transistores, pequenos interruptores elétricos, são a unidade fundamental que move todos os aparelhos eletrônicos que podemos imaginar. À medida que ficam menores, eles também ficam mais rápidos e consomem menos eletricidade para operar.

No mundo da tecnologia, uma das maiores questões do século 21 é:quão pequenos podemos fazer transistores? Se houver um limite para o tamanho que eles podem ficar, podemos chegar a um ponto em que não podemos mais continuar a torná-los menores, mais poderoso, dispositivos mais eficientes. É uma indústria com mais de US $ 200 bilhões em receita anual apenas nos EUA. Pode parar de crescer?

Chegando perto do limite

No presente, empresas como a Intel estão produzindo em massa transistores com 14 nanômetros de diâmetro - apenas 14 vezes mais largos do que as moléculas de DNA. Eles são feitos de silício, o segundo material mais abundante em nosso planeta. O tamanho atômico do silício é de cerca de 0,2 nanômetros.

Os transistores de hoje têm cerca de 70 átomos de silício de largura, portanto, a possibilidade de torná-los ainda menores está diminuindo. Estamos chegando muito perto do limite de quão pequeno podemos fazer um transistor.

Atualmente, os transistores usam sinais elétricos - elétrons movendo-se de um lugar para outro - para se comunicar. Mas se pudéssemos usar luz, feito de fótons, em vez de eletricidade, poderíamos fazer transistores ainda mais rápidos. Meu trabalho, em encontrar maneiras de integrar o processamento baseado em luz com os chips existentes, faz parte desse esforço nascente.

Colocando luz dentro de um chip

Um transistor tem três partes; pense neles como partes de uma câmera digital. Primeiro, a informação entra na lente, análogo a uma fonte de transistor. Em seguida, ele viaja por um canal do sensor de imagem até os fios dentro da câmera. E por fim, as informações são armazenadas no cartão de memória da câmera, que é chamado de "dreno" do transistor - onde a informação acaba.

Agora mesmo, tudo isso acontece movendo os elétrons. Para substituir a luz como meio, na verdade, precisamos mover os fótons. Partículas subatômicas como elétrons e fótons viajam em um movimento de onda, vibrando para cima e para baixo, mesmo enquanto se movem em uma direção. O comprimento de cada onda depende do que ela atravessa.

Em silício, o comprimento de onda mais eficiente para fótons é 1,3 micrômetros. Isso é muito pequeno - um fio de cabelo humano tem cerca de 100 micrômetros de diâmetro. Mas os elétrons no silício são ainda menores - com comprimentos de onda de 50 a 1, 000 vezes mais curto que os fótons.

Isso significa que o equipamento para lidar com fótons precisa ser maior do que os dispositivos de manipulação de elétrons que temos hoje. Portanto, pode parecer que isso nos forçaria a construir transistores maiores, em vez de menores.

Contudo, por duas razões, poderíamos manter os chips do mesmo tamanho e fornecer mais poder de processamento, encolher os chips enquanto fornece o mesmo poder, ou, potencialmente ambos. Primeiro, um chip fotônico precisa de apenas algumas fontes de luz, gerando fótons que podem então ser direcionados ao redor do chip com lentes e espelhos muito pequenos.

E em segundo lugar, a luz é muito mais rápida do que os elétrons. Em média, os fótons podem viajar cerca de 20 vezes mais rápido do que os elétrons em um chip. Isso significa computadores 20 vezes mais rápidos, um aumento de velocidade que levaria cerca de 15 anos para ser alcançado com a tecnologia atual.

Os cientistas demonstraram progresso em relação aos chips fotônicos nos últimos anos. Um desafio importante é garantir que os novos chips baseados em luz possam funcionar com todos os chips eletrônicos existentes. Se formos capazes de descobrir como fazer isso - ou mesmo usar transistores baseados em luz para melhorar os eletrônicos - poderemos ver uma melhora significativa no desempenho.

Quando posso obter um laptop ou smartphone baseado em luz?

Ainda temos um longo caminho a percorrer antes que o primeiro dispositivo de consumo chegue ao mercado, e o progresso leva tempo. O primeiro transistor foi feito no ano de 1907 usando tubos de vácuo, que normalmente tinham entre 2,5 e 15 centímetros de altura (em média 100 mm). Em 1947, o tipo atual de transistor - aquele que agora tem apenas 14 nanômetros de diâmetro - foi inventado e tinha 40 micrômetros de comprimento (cerca de 3, 000 vezes mais do que o atual). E em 1971, o primeiro microprocessador comercial (a força motriz de qualquer dispositivo eletrônico) era 1, 000 vezes maior do que hoje quando foi lançado.

Os vastos esforços de pesquisa e a conseqüente evolução observada na indústria eletrônica estão apenas começando na indústria fotônica. Como resultado, a eletrônica atual pode realizar tarefas muito mais complexas do que os melhores dispositivos fotônicos atuais. Mas à medida que a pesquisa prossegue, a capacidade da luz alcançará, e, finalmente, superar, velocidades da eletrônica. Não importa o tempo que demore para chegar lá, o futuro da fotônica é brilhante.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.