Circuitos nanofotônicos podem revolucionar o processamento de dados

Estudo feito na USP de São Carlos mostra que, interagindo com elétrons livres de um metal, a luz consegue transitar por estruturas nanométricas muito menores que a de seu comprimento de onda

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – O movimento dos elétrons carrega informações através dos cabos metálicos. Mas a taxa de transmissão é limitada devido às perdas que ocorrem no percurso. A adoção de fibras ópticas reduziu essas perdas e viabilizou frequências de transmissão muito maiores. A grande revolução na internet proporcionada pela banda larga, agregando telefonia, rádio e televisão, só foi possível em escala de massas com a introdução de fibras ópticas. O desafio agora é substituir os circuitos eletrônicos por circuitos ópticos para aumentar a velocidade de processamento de dados.

A dificuldade é que a radiação eletromagnética por si só não consegue transpor ou ser guiada por estruturas menores do que o seu comprimento de onda, que é da ordem de micrômetros (10^-6 m). “Uma alternativa altamente promissora é criar sistemas híbridos, baseados na interação da luz com íons. Nosso estudo mostrou que íons, emissores quânticos, conseguem interagir com a luz por meio de uma estrutura metálica em escala nanométrica”, diz o físico Euclydes Marega Júnior, professor do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP).

O trabalho foi conduzido no âmbito do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF) – um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão da FAPESP (CEPID). Também contou com financiamento por meio de uma Bolsa de Doutorado concedida a Gaston Lozano Calderón, orientando de Marega. Os resultados foram publicados na revista Scientific Reports.

“O fenômeno que observamos e relatamos no artigo mostra que circuitos fotônicos em escala nanométrica podem se tornar realidade em um futuro relativamente próximo, impactando as tecnologias atuais e viabilizando a transmissão e o processamento de informações em escala nanométrica e em frequências da ordem de terahertz [10¹² Hz]. Isso poderá produzir, na área de processamento, uma revolução equivalente à protagonizada pela fotônica na área de transmissão de informação”, acrescenta o professor do IFSC-USP.

Onda de superfície

O estudo permitiu observar a interação da radiação eletromagnética com íons de érbio nas proximidades de um aparato metálico muito pequeno, composto por fendas. A ordem de grandeza da estrutura era bem menor que a do comprimento de onda da luz. Por isso, sozinha, a radiação eletromagnética não teria podido atravessar. Mas a travessia tornou-se possível graças à interação da luz com elétrons livres do metal, criando o que se denomina “plásmon-poláritons de superfície”. Trata-se de um tipo de onda de superfície com comprimento de onda mais curto que o da luz na mesma frequência.

A expressão “plásmon-poláritons de superfície” explica que a onda de superfície envolve tanto o movimento de cargas no metal (plásmon) quanto o de ondas eletromagnéticas no ar ou no dielétrico (poláriton). “É a forma confinada que faz com que a radiação eletromagnética consiga interagir com objetos nessa escala de tamanho”, explica Marega.

Longe da estrutura, o acoplamento radiação-íon é fraco. Mas, nas proximidades, observa-se um acoplamento muito mais intenso, com a manifestação de novos fenômenos. Um deles é a ressonância de Fano, que ocorre devido à interação entre dois sistemas quânticos: o íon e o campo de radiação.

O fenômeno é assim nomeado em referência ao físico ítalo-americano Ugo Fano (1912-2001), que, em 1961, deu uma explicação teórica para o padrão de espalhamento de elétrons de hélio. Mas o fenômeno já teria sido referido antes pelo também italiano Ettore Majorana (1906-?), considerado um dos maiores gênios da história da ciência e que desapareceu misteriosamente aos 31 anos, sem deixar vestígios.

Marega sublinha que o estudo em pauta se insere em um campo cada vez maior de investigação, o da nanofotônica, que enfoca fenômenos que ocorrem em uma escala de tamanho intermediária, entre o nível atômico e o fotônico. Como já foi dito, as aplicações tecnológicas são altamente promissoras.

A investigação envolveu pesquisadores do IFSC-USP, da Universidade Federal do Piauí (UFPI), da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), da Université Laval (Canadá) e da Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Peru).

O artigo Demonstration of multiple quantum interference and Fano resonance realization in far-field from plasmonic nanostructure in ER3+ doped tellurite glass pode ser acessado em: www.nature.com/articles/s41598-022-08858-x.pdf?origin=ppub.