Novos metamateriais transparentes em desenvolvimento podem tornar possíveis chips de computador e circuitos de interconexão que usam luz em vez de elétrons para processar e transmitir dados, representando um salto potencial no desempenho.

Embora as fibras ópticas sejam agora usadas para transmitir grandes quantidades de dados a grandes distâncias, a tecnologia não pode ser facilmente miniaturizada porque o comprimento de onda da luz é muito grande para caber nas dimensões minúsculas dos microcircuitos.

"O papel das fibras ópticas é guiar a luz do ponto A ao ponto B, na verdade, através dos continentes, "disse Zubin Jacob, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Purdue University. "A maior vantagem de fazer isso em comparação com os cabos de cobre é que ele tem uma largura de banda muito alta, portanto, grandes quantidades de dados podem passar por esses cabos ópticos, em vez de fios de cobre. Contudo, em nossos computadores e produtos eletrônicos de consumo, ainda usamos fios de cobre entre as diferentes partes do chip. A razão é que você não pode confinar a luz ao mesmo tamanho de um fio de cobre em nanoescala. "

Metamateriais transparentes, mídia artificial nanoestruturada com blocos de construção transparentes, permitem um controle sem precedentes da luz e podem representar uma solução. Os pesquisadores estão fazendo progressos no desenvolvimento de metamateriais que reduzem o comprimento de onda da luz, apontando para uma estratégia de usar luz em vez de elétrons para processar e transmitir dados em chips de computador.

"Se você tiver comunicação de largura de banda muito alta no chip, bem como circuitos de interconexão entre os chips, você pode ir para velocidades de clock mais rápidas, processamento de dados tão mais rápido, "Jacob disse. Tal avanço poderia tornar possível reduzir o volume de um cluster de computador de alto desempenho para o tamanho de uma máquina de desktop padrão.

Ao contrário de alguns dos metamateriais em desenvolvimento, que contam com o uso de metais nobres como ouro e prata, os novos metamateriais são feitos inteiramente de materiais dielétricos, ou isolantes e não metais. Essa abordagem pode permitir que os pesquisadores superem uma grande limitação encontrada até agora no desenvolvimento de tecnologias baseadas em metamateriais:o uso de metais resulta na perda de muita luz para ser prático para muitas aplicações.

Um artigo de revisão sobre metamateriais totalmente dielétricos apareceu online este mês na revista Nature Nanotechnology , destacando o rápido desenvolvimento neste novo campo de pesquisa. O artigo foi escrito pelo estudante de doutorado Saman Jahani e Jacob.

"Um fator chave é que não usamos metais neste metamaterial, porque se você usar metais, muita luz vai para o calor e é perdida, Jacob disse. "Queremos trazer tudo para a plataforma de silício porque este é o melhor material para integrar dispositivos eletrônicos e fotônicos no mesmo chip."

Um detalhe crítico é a "velocidade anisotrópica" do material - o que significa que a luz é transmitida muito mais rápido em uma direção através do material do que em outra. Os materiais convencionais transmitem luz quase na mesma velocidade, independentemente da direção em que se desloca no material.

"A parte complicada deste trabalho é que exigimos que o material seja altamente anisotrópico, "disse ele." Então, em uma direção a luz viaja quase tão rápido quanto no vácuo, e na outra direção ele viaja como faria no silício, que é cerca de quatro vezes mais lento. "

A inovação poderia possibilitar a modificação de um fenômeno denominado "reflexão interna total, "o princípio usado atualmente para guiar a luz em fibras ópticas. Os pesquisadores estão trabalhando para projetar a reflexão interna total em fibras ópticas cercadas pelo novo metamaterial à base de silício.

"Nossa contribuição tem sido basicamente o fato de termos sido capazes de adaptar esse fenômeno de reflexão interna total para a nanoescala, o que era convencionalmente considerado impossível, "Jacob disse.

Como o material é transparente, é adequado para transmitir luz, que é uma questão crítica para aplicações práticas de dispositivos. A abordagem pode reduzir o aquecimento nos circuitos, o que significa que menos energia seria necessária para operar os dispositivos. Essa inovação poderia, a longo prazo, trazer unidades de processamento de dados miniaturizadas.

"Outra aplicação fascinante para esses metamateriais transparentes é no aprimoramento do acoplamento de luz-matéria para emissores de luz quânticos únicos, "Jacob disse." O tamanho das ondas de luz dentro de uma fibra são muito grandes para interagir efetivamente com minúsculos átomos e moléculas. O revestimento de metamaterial transparente pode comprimir as ondas de luz em valores de sub comprimento de onda, permitindo assim que a luz interaja efetivamente com objetos quânticos. Isso pode abrir caminho para fontes de luz no nível de um único fóton. "