p (Phys.org) - Foi inventado um interruptor ótico ultrarrápido e ultrapequeno que pode antecipar o dia em que os fótons substituirão os elétrons nas entranhas dos produtos de consumo, desde telefones celulares a automóveis. p O novo dispositivo óptico pode ligar e desligar trilhões de vezes por segundo. Consiste em interruptores individuais que têm apenas quinhentos avos da largura de um cabelo humano (200 nanômetros) de diâmetro. Este tamanho é muito menor do que a geração atual de interruptores ópticos e facilmente quebra uma das principais barreiras técnicas para a disseminação de dispositivos eletrônicos que detectam e controlam a luz:miniaturizar o tamanho dos interruptores ópticos ultrarrápidos.

p O novo dispositivo foi desenvolvido por uma equipe de cientistas da Vanderbilt University, Universidade do Alabama-Birmingham, e Laboratório Nacional de Los Alamos e é descrito na edição de 12 de março do jornal Nano Letras .

p O switch ultrarrápido é feito de um material artificial projetado para ter propriedades que não são encontradas na natureza. Nesse caso, o "metamaterial" consiste em partículas em nanoescala de dióxido de vanádio (VO ₂ ) - um sólido cristalino que pode alternar rapidamente entre um opaco, fase metálica e uma transparente, fase semicondutora - que são depositadas em um substrato de vidro e revestidas com uma "nanomesh" de minúsculas nanopartículas de ouro.

p Os cientistas relatam que banhar essas nanopartículas douradas com breves pulsos de um laser ultrarrápido gera elétrons quentes na nanomesh de ouro que saltam para o dióxido de vanádio e fazem com que passe por sua mudança de fase em alguns trilionésimos de segundo.

p "Anteriormente, havíamos acionado essa transição em nanopartículas de dióxido de vanádio diretamente com lasers e queríamos ver se poderíamos fazer isso com elétrons também, "disse Richard Haglund, Stevenson Professor de Física em Vanderbilt, quem conduziu o estudo. "Não só funciona, mas a injeção de elétrons quentes das nanopartículas de ouro também desencadeia a transformação com um quinto a um décimo da entrada de energia necessária para iluminar o laser diretamente no VO vazio. ₂ . "

p Tanto a indústria quanto o governo estão investindo pesadamente em esforços para integrar ótica e eletrônica, porque geralmente é considerado o próximo passo na evolução da tecnologia da informação e comunicação. Intel, A Hewlett-Packard e a IBM vêm construindo chips com funcionalidade ótica crescente nos últimos cinco anos que operam em velocidades de gigahertz, um milésimo do VO ₂ trocar.

p "Os interruptores de dióxido de vanádio têm uma série de características que os tornam ideais para aplicações optoeletrônicas, "disse Haglund. Além de sua velocidade rápida e tamanho pequeno, elas:

• São totalmente compatíveis com a tecnologia de circuito integrado atual, ambos os chips baseados em silício e os novos materiais "dielétricos de alto K" que a indústria de semicondutores está desenvolvendo para continuar o processo de miniaturização que tem sido um aspecto importante do desenvolvimento da tecnologia de microeletrônica;
• Operam na região visível e infravermelho próximo do espectro que é ideal para aplicações de telecomunicações;
• Gere uma quantidade de calor por operação que é baixa o suficiente para que os interruptores possam ser compactados o suficiente para fazer dispositivos práticos:cerca de dez trilionésimos de caloria (100 femtojoules) por bit.

p "As propriedades surpreendentes do dióxido de vanádio são conhecidas há mais de meio século. Em Vanderbilt, temos estudado VO ₂ nanopartículas nos últimos dez anos, mas o material tem sido notavelmente bem-sucedido em resistir a explicações teóricas, "disse Haglund." Foi apenas nos últimos anos que estudos computacionais intensivos iluminaram a física que está por trás de sua transição semicondutor para metal. "

p Os alunos de pós-graduação da Vanderbilt, Kannatassen Appavoo e Joyeeta Nag, fabricaram o metamaterial em Vanderbilt; Appavoo uniu forças com a Universidade do Alabama, O estudante de graduação de Birmingham Nathaniel Brady e o professor David Hilton conduzirão os experimentos ultrarrápidos com laser com a orientação do cientista Rohit Prasankumar da equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos e da pós-doutoranda Minah Seo. Os estudos teóricos e computacionais que ajudaram a desvendar o complexo mecanismo de transição de fase em nanoescala foram realizados pelo aluno de pós-doutorado Bin Wang e Sokrates Pantelides, Professor Distinto da Universidade de Física e Engenharia em Vanderbilt.