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– Mudar os feixes de luz rapidamente é importante em muitas aplicações tecnológicas. Pesquisadores da ETH agora desenvolveram um interruptor “eletro-opto-mecânico” para feixes de luz que é consideravelmente menor e mais rápido que os modelos atuais. Isso é relevante para aplicações como carros autônomos e tecnologias quânticas ópticas.
Cortesia da ETH por Oliver Morsch: Os carros autônomos se tornaram melhores e mais confiáveis nos últimos anos. Antes que eles possam dirigir de forma totalmente autônoma em nossas estradas em um futuro próximo, no entanto, alguns obstáculos precisam ser superados. Acima de tudo, a necessidade de avaliar os arredores à velocidade da luz e de reconhecer pessoas e obstáculos leva as tecnologias atuais ao seu limite. Uma equipe de cientistas liderada por Jürg Leuthold no Instituto de Campos Eletromagnéticos da ETH Zurique, juntamente com colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) nos EUA e na Universidade de Chalmers em Gotemburgo (Suécia), agora desenvolveu um novedoso interruptor eletro-opto-mecânico que possa resolver facilmente ambos problemas no futuro.
Plasmonics como ingrediente mágico
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um ingrediente mágico conhecido “plasmonics”. Nesta tecnologia, as ondas de luz são espremidas em estruturas muito menores que o comprimento de onda da luz – o que, de acordo com as leis da óptica, deveria ser impossível de fazer. No entanto, isso pode ser possível guiando a luz ao longo da fronteira entre um metal e um dielétrico – uma substância, como ar ou vidro, que dificilmente conduz corrente elétrica.
As ondas eletromagnéticas da luz penetram parcialmente no metal e fazem os elétrons dentro dele oscilarem, o que resulta em uma criação híbrida feita de uma onda de luz e uma excitação eletrônica – o plasmon. Mais de dez anos atrás, alguns físicos conhecidos já previam que os comutadores ópticos baseados em plasmons poderiam levar a uma revolução na transmissão e processamento de dados, pois ambos podem ser feitos muito mais rapidamente com fótons do que com a eletrônica tradicional.
Até agora, no entanto, as aplicações comerciais da vida real falharam devido às grandes perdas encontradas no transporte de fótons através de dispositivos plasmônicos e devido às altas tensões de comutação necessárias.
Explorar os pontos fortes dos plasmonics
“Agora resolvemos esses problemas explorando as boas propriedades dos plásticos, minimizando os ruins”, diz Christian Haffner, pós-doutorado, que liderou o projeto e também é o primeiro autor do artigo publicado recentemente na Science. A característica central do interruptor eletro-opto-mecânico desenvolvido por Haffner e seus colegas é uma membrana de ouro com apenas 40 nanômetros de espessura e alguns micrômetros de largura, e que é separada de um substrato de silício por um disco de óxido de alumínio.
Nesta configuração, o tamanho do espaço entre a membrana de ouro e o substrato pode ser controlado por forças mecânicas. Quando uma tensão é aplicada, a membrana se dobra levemente e, como resultado, a folga se torna menor.
O tamanho da lacuna, por sua vez, decide se uma onda de luz simplesmente passa pela membrana de ouro ou é desviada em torno dela. É aqui que entram os plasmons. De fato, para uma certa largura do intervalo, somente os plasmons com um comprimento de onda específico podem ser excitados na membrana de ouro. Se a luz tiver um comprimento de onda diferente, ela não se acopla à membrana, mas simplesmente se propaga em uma linha reta dentro do guia de ondas de silicone.
Pequenas perdas e tensão de comutação
“Como usamos apenas os plasmons para a curta viagem ao redor da membrana de comutação, temos perdas substancialmente menores do que as dos atuais interruptores eletro-ópticos”, explica Haffner. “Além disso, tornamos a membrana dourada muito pequena e fina, para que possamos trocá-la muito rapidamente e com uma pequena tensão”.
Os cientistas já demonstraram que seu novo interruptor pode ser ligado e desligado vários milhões de vezes por segundo com uma voltagem elétrica de pouco mais de um volt. Isso torna supérfluos os amplificadores volumosos e que consomem muita energia, normalmente usados para interruptores eletro-ópticos. No futuro, os cientistas planejam melhorar ainda mais sua troca, diminuindo ainda mais a diferença entre ouro e silício. Isso permitirá reduzir significativamente as perdas de luz e a tensão de comutação.
Aplicações de carros a tecnologias quânticas
As possíveis aplicações para o novo switch são abundantes. Por exemplo, os sistemas LIDAR (“Light Detection and Ranging”) para carros autônomos, nos quais a intensidade e a direção da propagação dos feixes de luz precisam variar muito rapidamente, podem se beneficiar dos interruptores rápidos e compactos.
Além disso, o reconhecimento de padrões necessário pode ser para dirigir os carros também.
Reference
Haffner C, Joerg A, Doderer M, Mayor F, Chelladurai D, Fedoryshyn Y, Roman CI, Mazur M, Burla M, Lezec HJ, Aksyuk VA, Leuthold J: Nano–opto-electro-mechanical switches operated at CMOS-level voltages. Science, 15 November 2019, Vol. 366, Issue 6467, pp. 860-864. DOI: 10.1126/science.aay8645
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