Os eletrônicos estão cada vez mais sendo combinados com sistemas ópticos, como ao acessar a Internet em um computador ligado eletronicamente por meio de cabos de fibra ótica.

Mas a malha óptica - que depende de partículas de luz chamadas fótons - com a eletrônica - que depende de elétrons - é um desafio, devido às suas escalas díspares. Os elétrons funcionam em uma escala muito menor do que a luz. A incompatibilidade entre os sistemas eletrônicos e os sistemas ópticos significa que toda vez que um sinal é convertido de um para o outro, a ineficiência penetra no sistema.

Agora, uma equipe liderada por um cientista da Purdue University encontrou uma maneira de criar metamateriais mais eficientes usando semicondutores e um novo aspecto da física que amplifica a atividade dos elétrons. O estudo está publicado na revista Optica .

Esta nova classe de materiais tem o potencial de aumentar drasticamente a resolução em digitalização médica e imagem científica e reduzir drasticamente o tamanho dos supercomputadores, criando um futuro onde os cientistas podem ver coisas minúsculas com muito mais detalhes e os dispositivos são menores e mais poderosos.

Os cientistas trabalharam durante décadas para reduzir os fótons a uma escala nanométrica para torná-los mais compatíveis com os elétrons - um campo conhecido como nanofonônica. Isso pode ser alcançado usando materiais rarefeitos e técnicas de produção caras para fazer os chamados materiais hiperbólicos. Usando materiais hiperbólicos, os cientistas podem encolher os fótons comprimindo a luz, tornando mais fácil a interface com os sistemas elétricos.

Evgenii Narimanov, um físico teórico e professor de engenharia elétrica e da computação em Purdue, explicado, "O mais importante sobre os materiais hiperbólicos é que eles podem comprimir a luz em quase qualquer escala. Quando você pode tornar a luz pequena, você resolve o problema da desconexão entre a óptica e a eletrônica. Então você pode fazer optoeletrônicos muito eficientes. "

O problema está na criação desses materiais hiperbólicos. Eles normalmente consistem em camadas entrelaçadas de metais e dielétricos, e cada superfície deve ser o mais lisa e livre de defeitos possível no nível atômico, algo que é difícil, demorado e caro.

A solução, Narimanov acredita, inclui semicondutores. Não, ele enfatizou, por causa de qualquer coisa especial sobre os próprios semicondutores. Mas porque os cientistas e pesquisadores devotaram os últimos 70 anos ou mais para produzir semicondutores de alta qualidade com eficiência. Narimanov se perguntou se poderia aproveitar essa proficiência e aplicá-la à produção de metamateriais novos e aprimorados.

Infelizmente, semicondutores não fazem metamateriais óticos inerentemente bons; eles não têm elétrons suficientes. Eles podem trabalhar em frequências relativamente baixas, na escala do infravermelho médio a distante. Mas, para melhorar as tecnologias de imagem e detecção, os cientistas precisam de metamateriais que funcionem no espectro visível no infravermelho próximo, em comprimentos de onda muito mais curtos do que o infravermelho médio e distante.

Narimanov e seus colaboradores descobriram e testaram um fenômeno óptico chamado 'ressonância balística'. Nestes novos materiais ópticos, que combinam conceitos de metamaterial com a precisão atômica de semicondutores de cristal único, elétrons livres (balísticos) interagem com um campo óptico oscilante.

Sincronizar o campo óptico com a frequência do movimento dos elétrons livres conforme eles saltam dentro dos limites das finas camadas condutoras, formando o material compósito, faz com que os elétrons ressoem, aumentando a reação de cada elétron e criando um metamaterial que funciona em frequências mais altas. Embora os pesquisadores ainda não tenham conseguido atingir os comprimentos de onda do espectro visível, eles conseguiram 60% do caminho até lá.

“Mostramos que existe um mecanismo físico que torna isso possível, "Narimanov disse." Antes, as pessoas não perceberam que isso era algo que poderia ser feito. Abrimos o caminho. Mostramos que é teoricamente possível, e então demonstramos experimentalmente uma melhoria de 60% na frequência operacional em relação aos materiais existentes. "

Narimanov originou a ideia e depois se juntou a Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank e Daniel Wasserman da Universidade do Texas, bem como Evan Simmons e Viktor Podolskiy na Universidade de Massachusetts Lowell. Os pesquisadores da Universidade do Texas desenvolveram a tecnologia de fabricação, enquanto os cientistas de Massachusetts Lowell contribuíram para a teoria quântica completa e realizaram as simulações numéricas para ter certeza de que tudo funcionou conforme planejado.

“Vamos continuar avançando nessa fronteira, "Narimanov disse." Mesmo se formos extremamente bem-sucedidos, ninguém vai levar metamateriais semicondutores para o espectro visível e infravermelho próximo em um ou dois anos. Pode demorar cerca de cinco anos. Mas o que fizemos foi fornecer a plataforma material. O gargalo da fotônica está no material onde os elétrons e os fótons podem se encontrar na mesma escala de comprimento, e nós resolvemos isso. "