Laser de Todos os Comprimentos
O desenvolvimento de chips de computador que concentram bilhões de dispositivos eletrônicos em poucas polegadas quadradas impulsionou a economia digital e transformou o mundo. Agora, os cientistas podem estar no limiar de uma nova revolução tecnológica, desta vez utilizando a luz. Em um avanço significativo em direção a esse objetivo, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e colaboradores criaram uma maneira de fazer circuitos integrados para a luz depositando padrões complexos de materiais especializados em wafers de silício. Esses circuitos ópticos, conhecidos como chips fotônicos, utilizam dispositivos ópticos como lasers, guias de onda, filtros e interruptores para transportar a luz e processar informações.
Essa nova avanço pode proporcionar um grande impulso para tecnologias emergentes, como inteligência artificial, computadores quânticos e relógios atômicos ópticos. A criação de circuitos para a luz tão poderosos e ubíquos quanto os circuitos para elétrons é uma das fronteiras tecnológicas atuais, afirma Scott Papp, um físico do NIST cujo grupo liderou a pesquisa, publicada esta semana na revista Nature. “Estamos aprendendo a criar circuitos complexos com muitas funções, abrangendo muitas áreas de aplicação.” A luz pode realizar tarefas que a eletricidade não pode, como transferir e processar informações de forma mais rápida e eficiente. Os fótons, partículas de luz, são muito mais rápidos do que os elétrons ao percorrerem os circuitos.
No entanto, ainda existem obstáculos a serem superados antes que a fotônica integrada possa realmente ganhar força. Um deles envolve os lasers. Lasers de alta qualidade, compactos e eficientes existem apenas em poucos comprimentos de onda, ou cores, de luz. Por exemplo, lasers de semicondutores são muito bons em gerar luz infravermelha com um comprimento de onda de 980 nanômetros, ou bilionésimos de metro, uma cor que está apenas fora do alcance da visão humana. Tecnologias emergentes, como relógios atômicos ópticos e computadores quânticos, necessitam de luz laser em muitas outras cores. Os lasers que produzem essas cores são grandes, caros e consomem muita energia, efetivamente confinando essas tecnologias quânticas a um punhado de laboratórios de propósito especial.
A integração de lasers em circuitos em chips pode ajudar a tornar as tecnologias quânticas mais baratas e portáteis, permitindo que elas comecem a cumprir seu vasto potencial. O novo chip fotônico do NIST é um pouco como um bolo em camadas. Os físicos do NIST, Papp e Grant Brodnik, junto com colegas, começaram com um wafer de silício padrão revestido com dióxido de silício (vidro) e niobato de lítio, um material não linear que pode alterar a cor da luz que entra nele. Em seguida, eles adicionaram peças de metal para controlar eletricamente como os circuitos convertem uma cor de luz em outras. Os cientistas também criaram outras interfaces de metal-niobato de lítio que permitiam que eles rapidamente ligassem e desligassem a luz dentro dos circuitos, uma habilidade crucial para o processamento de dados e roteamento de alta velocidade.
O “recheio” do bolo, por assim dizer, foi um segundo material não linear chamado pentóxido de tântalo, ou tantala. A tantala pode transformar a luz de maneiras que parecem mágicas, absorvendo uma única cor de laser e produzindo o arco-íris completo de cores visíveis, além de uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos. Papp e colegas passaram anos desenvolvendo técnicas para fabricar circuitos com tantala sem aquecê-la, permitindo que o material seja depositado sobre outros materiais sem danificá-los. Ao padronizar os diferentes materiais uns sobre os outros em uma pilha tridimensional, os pesquisadores produziram um único chip que roteia eficientemente a luz entre as camadas. Isso permitiu que eles mesclassem a magia de manipulação de luz da tantala com a controllabilidade do niobato de lítio. A nova técnica “permite a integração sem problemas”, afirma Brodnik. “O verdadeiro poder é que a tantala pode ser adicionada à circuitaria existente.”
Em última análise, os pesquisadores foram capazes de caber cerca de 50 chips do tamanho de uma unha, contendo 10.000 circuitos fotônicos, cada um produzindo uma cor única, em um wafer com o tamanho de um coaster de cerveja. “Podemos criar todas essas cores diferentes, apenas projetando circuitos”, afirma Papp. Tecnologias quânticas, como relógios e computadores, podem ser entre os principais beneficiários da fotônica integrada. Esses dispositivos frequentemente usam matrizes de átomos para armazenar e processar informações. Para cada tipo de átomo, os físicos precisam de lasers personalizados para os níveis de energia quântica internos do átomo. Por exemplo, os átomos de rubídio, um elemento químico, necessitam de lasers que emitem luz com um comprimento de onda específico para “falar” com os átomos e controlá-los.
A capacidade de criar lasers de qualquer cor pode revolucionar a forma como as tecnologias quânticas são desenvolvidas e implementadas. Com a possibilidade de integrar lasers em circuitos em chips, os cientistas podem criar dispositivos quânticos mais compactos, eficientes e baratos, o que pode levar a avanços significativos em áreas como a computação quântica, a criptografia e a metrologia. Além disso, a fotônica integrada pode ter aplicações em outras áreas, como a comunicação óptica, a detecção de sensores e a imagem médica. Com a continua evolução da tecnologia, é prov
