Se os computadores transmitissem dados usando fótons em vez de elétrons, eles teriam um desempenho melhor e usariam menos energia. Pesquisadores europeus estão agora estudando uma nova liga emissora de luz de silício e germânio para obter chips fotônicos, que pode revolucionar a computação

Nos últimos 50 anos, fótons, as partículas que compõem a luz, substituíram elétrons para transferência de dados em redes de comunicação. A alta largura de banda dos sinais ópticos impulsionou o enorme crescimento dos sistemas telefônicos, emissão de televisão e Internet.

Contudo, os fótons ainda não substituíram os elétrons nos computadores. Usar luz para transmitir dados em chips de processador e suas interconexões permitiria um aumento substancial na velocidade dos computadores (a velocidade da comunicação on-chip e chip a chip poderia ser aumentada por um fator de 1000) e, ao mesmo tempo, reduzir a potência necessária para operar.

Chips de microprocessador avançado podem conter dezenas de bilhões de transistores, e suas interconexões elétricas de cobre produzem grandes quantidades de calor quando em operação. Ao contrário dos fótons, os elétrons têm massa e carga elétrica. Ao fluir através de metais ou material semicondutor, eles são espalhados pelos átomos de silício e metal, fazendo com que vibrem e produzam calor. Portanto, a maior parte da energia fornecida a um microprocessador é desperdiçada.

O desafio de emitir luz a partir do silício

Hoje, a indústria eletrônica está preparada para usar silício em chips de computador por causa de suas propriedades eletrônicas vantajosas e disponibilidade. É um bom semicondutor, um elemento abundante, e - como óxido de silício - um constituinte de vidro e areia.

Contudo, o silício não é muito bom para lidar com a luz por causa de sua estrutura cristalina. Por exemplo, ele não pode gerar fótons ou controlar seu fluxo para processamento de dados. Os pesquisadores investigaram materiais emissores de luz, como arsenieto de gálio e fosfina de índio, mas sua aplicação em computadores permanece limitada porque eles não se integram bem com a tecnologia de silício atual.

Moldando chips fotônicos:em direção a uma revolução na indústria eletrônica

Recentemente, Pesquisadores europeus relataram na revista Natureza uma liga inovadora de silício e germânio que é opticamente ativa. É um primeiro passo, disse Jos Haverkort, um físico da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda:"Mostramos que este material é muito adequado para emissão de luz, e que é compatível com silício. "

A próxima etapa é desenvolver um laser compatível com silício que será integrado ao circuito eletrônico como fonte de luz de chips fotônicos. Este é o objetivo final do projeto SiLAS, apoiado pelo programa FET da UE. O time, liderado por Erik Bakkers da Universidade de Eindhoven, também inclui pesquisadores das universidades de Jena e Munique, na Alemanha, Linz na Áustria, Oxford no Reino Unido e da IBM na Suíça.

Para criar o laser, os cientistas combinaram silício e germânio em uma estrutura hexagonal capaz de emitir luz, superando as desvantagens do silício, em que os átomos estão dispostos em um padrão de cubos. Foi um projeto difícil. Uma tentativa inicial de persuadir o silício a adotar uma estrutura hexagonal depositando átomos de silício em uma camada de germânio hexagonal falhou.

O silício teimosamente se recusa a mudar sua estrutura cúbica quando cultivado em germânio hexagonal planar, explica Jonathan Finley da Universidade Técnica de Munique, que participou da pesquisa medindo as propriedades ópticas das amostras de silício criadas. "É preciso convencer a natureza a permitir o crescimento dessa forma incomum de silício-germânio. Ele gosta de crescer cúbico, isso é o que faz, " ele diz.

Contudo, ao longo dos anos, o grupo de pesquisa em Eindhoven desenvolveu experiência no cultivo de nanotubos, e raciocinou que o que não funciona em uma superfície plana de germânio pode funcionar em uma superfície curva de um nanotubo. E desta vez as coisas deram certo. "O que fizemos foi usar um nanofio de arsenieto de gálio, que tem uma estrutura hexagonal. Então, tínhamos uma haste hexagonal, e criamos uma camada de silício em torno do núcleo, que também tinha uma estrutura hexagonal, "diz Haverkort.

Ao variar a quantidade de silício e germânio depositado nos nanotubos, os pesquisadores descobriram que a liga hexagonal era capaz de emitir luz quando a concentração de germânio estava acima de 65%.

A próxima etapa é uma demonstração de lasing, em outras palavras, determinar como a liga de silício-germânio pode amplificar e emitir luz como um laser, e medi-lo.

Existem várias questões em aberto a serem resolvidas antes que o silício-germânio possa se tornar totalmente integrado com a eletrônica baseada em silício, comenta Haverkort:"Primeiro, esses dispositivos precisam ser integrados às tecnologias existentes e isso ainda é um obstáculo. "Ele espera que os computadores quânticos do futuro usem aplicativos como LEDs baseados em silício de baixo custo, lasers de fibra óptica, sensores de luz, e pontos quânticos emissores de luz.

Em geral, a mudança da comunicação elétrica para a óptica impulsionará a inovação em muitos setores, desde radares baseados em laser para direção autônoma até sensores para diagnóstico médico ou detecção de poluição do ar em tempo real.