Quão rápido pode ser a eletrônica? Quando os chips de computador trabalham com sinais e intervalos de tempo cada vez mais curtos, em algum momento eles esbarram em limites físicos. Os processos da mecânica quântica que permitem a geração de corrente elétrica em um material semicondutor levam um certo tempo. Isso coloca um limite para a velocidade de geração de sinal e transmissão de sinal.
TU Wien (Viena), TU Graz e o Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching agora conseguiram explorar esses limites:A velocidade definitivamente não pode ser aumentada além de um petahertz (um milhão de gigahertz), mesmo que o material seja excitado em uma maneira ideal com pulsos de laser. Este resultado foi agora publicado na revista científica Nature Communications .

Campos e correntes

A corrente elétrica e a luz (ou seja, campos eletromagnéticos) estão sempre interligadas. Este também é o caso da microeletrônica:nos microchips, a eletricidade é controlada com a ajuda de campos eletromagnéticos. Por exemplo, um campo elétrico pode ser aplicado a um transistor e, dependendo se o campo está ligado ou desligado, o transistor permite que a corrente elétrica flua ou a bloqueia. Desta forma, um campo eletromagnético é convertido em um sinal elétrico.

Para testar os limites dessa conversão de campos eletromagnéticos em corrente, pulsos de laser – os campos eletromagnéticos mais rápidos e precisos disponíveis – são usados, em vez de transistores.

"São estudados materiais que inicialmente não conduzem eletricidade", explica o Prof. Joachim Burgdörfer do Instituto de Física Teórica da TU Wien. "Eles são atingidos por um pulso de laser ultracurto com um comprimento de onda na faixa extrema de UV. Esse pulso de laser desloca os elétrons para um nível de energia mais alto, para que eles possam se mover livremente de repente. Dessa forma, o pulso de laser transforma o material em um condutor elétrico por um curto período de tempo." Assim que houver portadores de carga em movimento livre no material, eles podem ser movidos em uma determinada direção por um segundo pulso de laser ligeiramente mais longo. Isso cria uma corrente elétrica que pode ser detectada com eletrodos em ambos os lados do material.

Esses processos acontecem extremamente rápido, em uma escala de tempo de atto ou femtosegundos. "Durante muito tempo, tais processos foram considerados instantâneos", diz o Prof. Christoph Lemell (TU Wien). "Hoje, porém, temos a tecnologia necessária para estudar detalhadamente a evolução temporal desses processos ultrarrápidos." A questão crucial é:com que rapidez o material reage ao laser? Quanto tempo demora a geração do sinal e quanto tempo é preciso esperar até que o material possa ser exposto ao próximo sinal? Os experimentos foram realizados em Garching e Graz, o trabalho teórico e simulações computacionais complexas foram feitos na TU Wien.

Tempo ou energia, mas não ambos

O experimento leva a um dilema de incerteza clássico, como ocorre frequentemente na física quântica:para aumentar a velocidade, são necessários pulsos de laser UV extremamente curtos, para que os portadores de carga livres sejam criados muito rapidamente. No entanto, usar pulsos extremamente curtos implica que a quantidade de energia que é transferida para os elétrons não é definida com precisão. Os elétrons podem absorver energias muito diferentes. "Podemos dizer exatamente em que momento os portadores de carga gratuita são criados, mas não em que estado de energia eles estão", diz Christoph Lemell. "Os sólidos têm diferentes bandas de energia e, com pulsos de laser curtos, muitos deles são inevitavelmente preenchidos por portadores de carga livre ao mesmo tempo."

Dependendo de quanta energia eles carregam, os elétrons reagem de maneira bem diferente ao campo elétrico. Se sua energia exata for desconhecida, não será mais possível controlá-los com precisão e o sinal de corrente produzido será distorcido, especialmente em altas intensidades de laser.

"Acontece que cerca de um petahertz é um limite superior para processos optoeletrônicos controlados", diz Joachim Burgdörfer. Claro, isso não significa que seja possível produzir chips de computador com uma frequência de clock de pouco menos de um petahertz. Os limites superiores técnicos realistas são provavelmente consideravelmente mais baixos. Embora as leis da natureza que determinam os limites finais de velocidade da optoeletrônica não possam ser superadas, elas agora podem ser analisadas e compreendidas com novos métodos sofisticados. + Explorar mais

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