Um cristal lamelar bi-dimensional composto de camadas atomicamente finas de iodeto de chumbo (PbI2) poderia ser usado para fabricar uma nova geração de circuitos que usam luz e vibrações mecânicas (em vez de elétrons) para transmitir informações na faixa de frequência terahertz.
Pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em parceria com colegas da Universidade de Lille (França) e outras instituições internacionais, estudaram essa tecnologia e publicaram suas descobertas noComunicações da Natureza.
A banda terahertz corresponde a uma região de baixa-energia do espectro eletromagnético situada entre o infravermelho e as microondas. Apesar disso, é considerado crucial para o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de alta-velocidade.
"Hoje, Wi-Fi e 5G operam em frequências de alguns gigahertz (GHz, 109hertz). Mas há interesse em avançar para centenas de gigahertz, ou mesmo terahertz (1012hertz), pois quanto maior a frequência, maior a largura de banda e a capacidade de transmissão de dados", diz Raul de Oliveira Freitas, chefe da linha de luz Imbuia do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS-CNPEM) e coordenador do estudo.
O estudo investigou como produzir um cristal em camadas de alta-qualidade, capaz de atuar como guia de ondas para radiação nesta faixa de frequência, usando iodeto de chumbo, um material barato.
Esta plataforma poderia funcionar como um ressonador, que confina a luz e seleciona frequências específicas, amplificando certos modos de oscilação. Também poderia funcionar como um divisor de feixe, que divide um feixe de luz em dois ou mais caminhos para permitir a distribuição do sinal óptico, ou como um modulador, que altera as propriedades da luz, como intensidade, fase ou frequência, para codificar informações.
O aspecto mais inovador do trabalho é a capacidade de confinar a luz em volumes muito menores que seu comprimento de onda.
“Na faixa dos terahertz, a luz tem comprimentos de onda de centenas de micrômetros. O que fazemos é confinar essa luz em regiões submicrométricas”, explica Freitas.
Isso é possível pela formação de fônons-polaritons, que são quasipartículas híbridas que combinam as vibrações dos átomos na rede cristalina (fônons) com a luz.
“É como se o fônon estivesse revestido de luz, formando uma quasipartícula com propriedades únicas. As características de propagação e interação com a matéria dessas quasipartículas diferem tanto da luz isolada quanto dos fônons isolados”, comenta o pesquisador.
O confinamento extremo da luz envolve operar além do limite de difração, o que restringe a resolução dos sistemas ópticos convencionais.
“Na óptica clássica não é possível observar ou manipular estruturas muito menores que o comprimento de onda da luz. Com os polaritons conseguimos superar esse limite”, diz Freitas.
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram microscopia de varredura óptica de-campo próximo-de espalhamento (s-SNOM), uma técnica que emprega pontas de metal em nanoescala para comprimir campos eletromagnéticos extremamente.
“A ponta funciona como uma antena e cria um hotspot de campo elétrico com dimensões da ordem de dezenas de nanômetros, independente do comprimento de onda original. Isso permite uma redução drástica na escala espacial da luz”, diz Freitas.
"Além disso, a densidade do campo elétrico nas sondas s-SNOM é de até 105vezes maior do que nas ondas livres, o que explica a superioridade da técnica para pesquisa nanofotônica. Conseguimos confinar uma onda de 200 micrômetros em um volume menor que 50 nanômetros."
Outra descoberta importante do estudo foi o fator de alta qualidade dos fônons-polaritons em PbI2. O fator de qualidade é uma medida de quanto tempo a oscilação persiste antes de se dissipar.
"Quanto mais tempo o sistema oscila, maior é o fator de qualidade. PbI2teve desempenho comparável ao nitreto de boro hexagonal (hBN), que é o material de referência na faixa do infravermelho", diz Freitas.
Um substituto simples e sustentável
Ao contrário do iodeto de chumbo, o nitreto hexagonal de boro (hBN) é um material extremamente difícil de sintetizar, exigindo condições extremas de pressão e temperatura. Mesmo depois de mais de duas décadas de pesquisa, poucos grupos em todo o mundo conseguiram produzir este material com alta qualidade. Além disso, suas propriedades o tornam adequado para a faixa do infravermelho médio, mas não para a faixa dos terahertz.
O iodeto de chumbo, por outro lado, possui dois precursores baratos e naturais: iodo e chumbo. Também pode ser cristalizado de forma extremamente simples.
"Basta dissolver o sal em água até obter uma solução supersaturada e aquecê-la a cerca de 80 graus C,-algo que pode ser feito em um fogão doméstico. Durante o resfriamento, o material cristaliza, formando estruturas que podem ser coletadas", diz o pesquisador.
A capacidade de manipular a luz em nanoescala abre caminho para circuitos fotônicos integrados capazes de substituir ou complementar circuitos eletrônicos.
“Atualmente, as informações são transmitidas dentro dos dispositivos por meio de elétrons. O uso da luz pode aumentar drasticamente a velocidade e reduzir as perdas. É análogo ao que aconteceu na área de telecomunicações”, diz Freitas.
"Antes usávamos cabos elétricos; hoje usamos fibras ópticas, que permitem velocidades muito maiores. O mesmo princípio pode ser aplicado dentro de chips. E, além de velocidades maiores, há economia de energia: a luz sofre bem menos perdas que as correntes elétricas. Isso pode resultar em soluções mais eficientes e sustentáveis."
