As arquiteturas microeletrônicas tradicionais, com transistores para controlar as correntes elétricas ao longo dos fios, alimentam tudo, desde computadores avançados até dispositivos do dia a dia.



Mas com os circuitos integrados oferecendo retornos decrescentes em termos de velocidade e adaptabilidade, os cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos estão desenvolvendo sistemas baseados em luz em escala nanométrica que poderiam fornecer avanços para microeletrônica ultrarrápida, detecção infravermelha em temperatura ambiente (por exemplo, visão noturna) e uma ampla variedade de aplicações tecnológicas.

“A maioria das tecnologias modernas, desde computadores a aplicações como a recolha de energia, baseiam-se na capacidade de empurrar electrões”, disse Jacob Pettine, físico de Los Alamos no Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT). "Mas a forma como controlamos esse fluxo de carga permanece muito limitada pelos materiais e estruturas convencionais."

Nanoantenas capturam e focam a luz

Conforme descrito em um artigo publicado recentemente na Nature , a equipe de pesquisa projetou e fabricou estruturas de ouro assimétricas de tamanho nanométrico em uma camada atomicamente fina de grafeno. As estruturas de ouro são apelidadas de “nanoantenas” com base na forma como capturam e focam as ondas de luz, formando “pontos quentes” ópticos que excitam os elétrons dentro do grafeno. Apenas os elétrons do grafeno muito próximos dos pontos quentes são excitados, com o restante do grafeno permanecendo muito menos excitado.

A equipe de pesquisa adotou o formato de lágrima de nanoantenas de ouro, onde a quebra da simetria de inversão define uma direcionalidade ao longo da estrutura. Os pontos quentes estão localizados apenas nas pontas afiadas das nanoantenas, levando a um caminho no qual os elétrons quentes excitados fluem com direcionalidade líquida - uma corrente de carga, controlável e ajustável em escala nanométrica, excitando diferentes combinações de pontos quentes.

"Essas metassuperfícies fornecem uma maneira fácil de controlar a amplitude, localização e direção de pontos quentes e corrente de carga em nanoescala com uma velocidade de resposta mais rápida que um picossegundo", disse Hou-Tong Chen, cientista do CINT que supervisiona a pesquisa. "Você pode então pensar em funcionalidades mais detalhadas."

Aplicações promissoras para corrente de carga controlável e ajustável

A demonstração conceitual nessas metassuperfícies optoeletrônicas tem uma série de aplicações promissoras. A corrente de carga gerada pode ser naturalmente utilizada como sinal para fotodetecção, particularmente importante na região infravermelha de comprimento de onda longo. O sistema pode servir como fonte de radiação terahertz, útil em uma variedade de aplicações, desde comunicações sem fio de ultra-alta velocidade até caracterização espectroscópica de materiais. O sistema também poderia oferecer novas oportunidades para controlar o nanomagnetismo, nas quais as correntes especializadas podem ser projetadas para campos magnéticos adaptáveis ​​em escala nanométrica.

A nova capacidade também pode ser importante para o processamento ultrarrápido de informações, incluindo computação e microeletrônica. A capacidade de usar pulsos de laser e metassuperfícies para circuitos adaptativos poderia permitir o envio de arquiteturas eletrônicas e de computador baseadas em transistores mais lentas e menos versáteis. Ao contrário dos circuitos convencionais, os campos de luz estruturados adaptativos poderiam oferecer possibilidades de design completamente novas.

"Esses resultados estabelecem as bases para padrões versáteis e controle óptico sobre correntes em nanoescala", disse Pettine. "Juntamente com as valiosas aplicações em laboratório, as metassuperfícies vetoriais podem permitir avanços em muitos domínios tecnológicos diferentes."

Mais informações: Jacob Pettine et al, Correntes vetoriais em nanoescala acionadas por luz, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07037-4
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Los Alamos