p Quando um avião começa a se mover mais rápido do que a velocidade do som, ele cria uma onda de choque que produz um conhecido "boom" de som. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriram um processo semelhante em uma folha de grafeno, em que um fluxo de corrente elétrica pode, Sob certas circunstâncias, exceder a velocidade da luz reduzida e produzir uma espécie de "boom" óptico:um intenso, feixe de luz focalizado. p Esta forma inteiramente nova de converter eletricidade em radiação visível é altamente controlável, velozes, e eficiente, os pesquisadores dizem, e pode levar a uma ampla variedade de novas aplicações. O trabalho é relatado hoje no jornal Nature Communications , em um artigo de dois professores do MIT - Marin Soljačić, professor de física; e John Joannopoulos, o professor de física Francis Wright Davis, bem como o pós-doutorado Ido Kaminer, e seis outros em Israel, Croácia, e Cingapura.

p A nova descoberta partiu de uma observação intrigante. Os pesquisadores descobriram que quando a luz atinge uma folha de grafeno, que é uma forma bidimensional do elemento carbono, pode desacelerar por um fator de algumas centenas. Essa desaceleração dramática, eles notaram, apresentou uma coincidência interessante. A velocidade reduzida dos fótons (partículas de luz) que se movem através da folha de grafeno era muito próxima da velocidade dos elétrons quando se moviam pelo mesmo material.

p "O grafeno tem a capacidade de capturar a luz, em modos que chamamos de plasmons de superfície, "explica Kaminer, quem é o autor principal do artigo. Plasmons são uma espécie de partícula virtual que representa as oscilações dos elétrons na superfície. A velocidade desses plasmons através do grafeno é "algumas centenas de vezes mais lenta do que a luz no espaço livre, " ele diz.

p Este efeito combinou com outra das características excepcionais do grafeno:os elétrons passam por ele em velocidades muito altas, até um milhão de metros por segundo, ou cerca de 1/300 da velocidade da luz no vácuo. Isso significa que as duas velocidades são semelhantes o suficiente para que interações significativas possam ocorrer entre os dois tipos de partículas, se o material pudesse ser ajustado para obter as velocidades correspondentes.

p Essa combinação de propriedades - desacelerar a luz e permitir que os elétrons se movam muito rápido - é "uma das propriedades incomuns do grafeno, "diz Soljačić. Isso sugeriu a possibilidade de usar o grafeno para produzir o efeito oposto:produzir luz em vez de prendê-la." Nosso trabalho teórico mostra que isso pode levar a uma nova forma de gerar luz, " ele diz.

p Especificamente, ele explica, “Essa conversão é possível porque a velocidade eletrônica pode se aproximar da velocidade da luz no grafeno, quebrar a 'barreira da luz'. "Assim como quebrar a barreira do som gera uma onda de choque de som, ele diz, “No caso do grafeno, isso leva à emissão de uma onda de choque de luz, preso em duas dimensões. "

p O fenômeno que a equipe aproveitou é chamado de efeito Čerenkov, descrito pela primeira vez há 80 anos pelo físico soviético Pavel Čerenkov. Normalmente associado a fenômenos astronômicos e aproveitado como uma forma de detectar partículas cósmicas ultrarrápidas à medida que se lançam através do universo, e também para detectar partículas resultantes de colisões de alta energia em aceleradores de partículas, o efeito não foi considerado relevante para a tecnologia Earthbound porque só funciona quando os objetos estão se movendo perto da velocidade da luz. Mas a desaceleração da luz dentro de uma folha de grafeno forneceu a oportunidade de aproveitar esse efeito de forma prática, dizem os pesquisadores.

p Existem muitas maneiras diferentes de converter eletricidade em luz - a partir dos filamentos de tungstênio aquecidos que Thomas Edison aperfeiçoou há mais de um século, para tubos fluorescentes, aos diodos emissores de luz (LEDs) que alimentam muitas telas de exibição e estão ganhando espaço para iluminação doméstica. Mas esta nova abordagem baseada em plasmon pode eventualmente fazer parte de uma abordagem mais eficiente, mais compacto, mais rápido, e alternativas mais ajustáveis ​​para certos aplicativos, dizem os pesquisadores.

p Talvez o mais significativo, esta é uma maneira de gerar plasmons de maneira eficiente e controlável em uma escala compatível com a atual tecnologia de microchip. Esses sistemas baseados em grafeno podem ser componentes essenciais no chip para a criação de novos, circuitos baseados em luz, que são considerados uma nova direção importante na evolução da tecnologia de computação em direção a dispositivos cada vez menores e mais eficientes.

p "Se você quiser resolver todos os tipos de problemas de processamento de sinal em um chip, você quer ter um sinal muito rápido, e também ser capaz de trabalhar em escalas muito pequenas, "Kaminer diz. Os chips de computador já reduziram a escala da eletrônica a ponto de a tecnologia esbarrar em alguns limites físicos fundamentais, então "você precisa entrar em um regime diferente de eletromagnetismo, ", diz ele. Usar luz em vez de elétrons fluindo como base para mover e armazenar dados tem o potencial de empurrar as velocidades operacionais" seis ordens de magnitude acima do que é usado na eletrônica, "Kaminer diz - em outras palavras, em princípio, até um milhão de vezes mais rápido.

p Um problema enfrentado por pesquisadores que tentam desenvolver chips baseados em ótica, ele diz, é que, embora a eletricidade possa ser facilmente confinada nos fios, a luz tende a se espalhar. Dentro de uma camada de grafeno, Contudo, sob as condições certas, as vigas são muito bem confinadas.

p "Há muita empolgação com o grafeno, "diz Soljačić, "porque poderia ser facilmente integrado com outros eletrônicos", permitindo seu uso potencial como uma fonte de luz no chip. Até aqui, o trabalho é teórico, ele diz, portanto, a próxima etapa será criar versões funcionais do sistema para provar o conceito. "Tenho confiança de que deve ser viável dentro de um a dois anos, “, diz ele. O próximo passo seria otimizar o sistema para a maior eficiência.

p Esta descoberta "é um conceito verdadeiramente inovador que tem o potencial de ser a chave para resolver o problema de longa data de obtenção de conversão de sinal elétrico em óptico altamente eficiente e ultrarrápida em nanoescala, "diz Jorge Bravo-Abad, professor assistente da Universidade Autônoma de Madrid, na Espanha, que não estava envolvido neste trabalho.

p Além disso, Bravo-Abad diz, "a nova instância de emissão Čerenkov descoberta pelos autores deste trabalho abre novas perspectivas para o estudo do efeito Čerenkov em sistemas em nanoescala, sem a necessidade de configurações experimentais sofisticadas. Estou ansioso para ver o impacto significativo e as implicações que essas descobertas certamente terão na interface entre a física e a nanotecnologia. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.