Frequências mais altas significam transferência de dados mais rápida e processadores mais poderosos - a fórmula que tem impulsionado o setor de TI há anos. Tecnicamente, Contudo, é tudo menos fácil continuar aumentando as taxas de clock e as frequências de rádio. Novos materiais podem resolver o problema. Os experimentos em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) produziram agora um resultado promissor:uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu obter um novo material para aumentar a frequência de um flash de radiação terahertz por um fator de sete:um primeiro passo para o potencial Aplicativos de TI, como o grupo relata no jornal Nature Communications .

Quando smartphones recebem dados e chips de computador realizam cálculos, tais processos sempre envolvem campos elétricos alternados que enviam elétrons em caminhos claramente definidos. Frequências de campo mais altas significam que os elétrons podem fazer seu trabalho mais rápido, permitindo maiores taxas de transferência de dados e maiores velocidades de processador. O teto atual é a faixa de terahertz, É por isso que pesquisadores de todo o mundo estão ansiosos para entender como os campos de terahertz interagem com novos materiais. "Nossa instalação de TELBE terahertz em HZDR é uma excelente fonte para estudar essas interações em detalhes e identificar materiais promissores, "diz Jan-Christoph Deinert do HZDR's Institute of Radiation Physics." Um possível candidato é o arsenieto de cádmio, por exemplo."

O físico estudou este composto ao lado de pesquisadores de Dresden, Colônia, e Xangai. Arseneto de cádmio (Cd ₃ Como ₂ ) pertence ao grupo dos chamados materiais tridimensionais Dirac, em que os elétrons podem interagir de forma muito rápida e eficiente, ambos uns com os outros e com campos elétricos alternados de oscilação rápida. "Estávamos particularmente interessados ​​em saber se o arsenieto de cádmio também emite radiação terahertz em novos, frequências mais altas, "explica o cientista da linha de luz da TELBE, Sergey Kovalev." Já observamos isso com muito sucesso no grafeno, um material Dirac bidimensional. ”Os pesquisadores suspeitaram que a estrutura eletrônica tridimensional do arsenieto de cádmio ajudaria a atingir alta eficiência nessa conversão.

Para testar isso, os especialistas usaram um processo especial para produzir plaquetas ultrafinas de alta pureza a partir de arseneto de cádmio, que eles então submeteram a pulsos de terahertz da instalação da TELBE. Detectores atrás da plaqueta registraram como o arsenieto de cádmio reagia aos pulsos de radiação. O resultado:"Pudemos mostrar que o arsenieto de cádmio atua como um multiplicador de frequência altamente eficaz e não perde sua eficiência, nem mesmo sob os pulsos de terahertz muito fortes que podem ser gerados em TELBE, "relata o ex-pesquisador do HZDR Zhe Wang, que agora trabalha na Universidade de Colônia. O experimento foi o primeiro a demonstrar o fenômeno da multiplicação da frequência de terahertz até o sétimo harmônico nesta ainda jovem classe de materiais.

Elétrons dançam em seu próprio ritmo

Além da evidência experimental, a equipe, junto com pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos, também forneceu uma descrição teórica detalhada do que ocorreu:Os pulsos de terahertz que atingem o arsenieto de cádmio geram um forte campo elétrico. "Este campo acelera os elétrons livres no material, "Deinert descreve." Imagine um grande número de minúsculas pelotas de aço rolando em uma placa que está sendo inclinada de um lado para o outro muito rápido. "

Os elétrons no arseneto de cádmio respondem a essa aceleração emitindo radiação eletromagnética. O importante é que eles não sigam exatamente o ritmo do campo terahertz, mas oscilam em caminhos bem mais complicados, que é uma consequência da estrutura eletrônica incomum do material. Como resultado, os elétrons emitem novos pulsos de terahertz em múltiplos inteiros ímpares da frequência original - um efeito não linear semelhante a um piano:quando você pressiona a tecla A no teclado, o instrumento não soa apenas a tecla que você tocou, mas também um rico espectro de sobretons, os harmônicos.

Para um mundo pós 5G

O fenômeno é promissor para inúmeras aplicações futuras, por exemplo, em comunicação sem fio, que tende a frequências de rádio cada vez mais altas que podem transmitir muito mais dados do que os canais convencionais de hoje. A indústria está atualmente implementando o padrão 5G. Componentes feitos de materiais Dirac podem um dia usar frequências ainda mais altas - e assim permitir uma largura de banda ainda maior do que 5G. A nova classe de materiais também parece ser de interesse para futuros computadores, pois os componentes baseados em Dirac poderiam, em teoria, facilitar taxas de clock mais altas do que as tecnologias baseadas em silício de hoje.

Mas primeiro, a ciência básica por trás disso requer um estudo mais aprofundado. "O resultado da nossa pesquisa foi apenas o primeiro passo, "enfatiza Zhe Wang." Antes que possamos imaginar aplicações concretas, precisamos aumentar a eficiência dos novos materiais. ”Para tanto, os especialistas querem descobrir o quão bem eles podem controlar a multiplicação de frequência aplicando uma corrente elétrica. E eles querem dopar suas amostras, ou seja, enriquecê-los com átomos estranhos, na esperança de otimizar a conversão de frequência não linear.