Os pesquisadores desenvolveram uma tecnologia inovadora que resolve um limite elementary na eletrônica.
Essa nova tecnologia, apelidada de “interruptor optoexcitônico”, poderia levar a uma nova classe de eletrônicos – variando de telefones e PCs an information facilities e computadores quânticos que podem operar sem gerar calor residual.
O novo interruptor funciona como um interruptor eletrônico convencional, que usa uma carga elétrica para controlar o fluxo de elétrons em um sistema. Os interruptores direcionam o fluxo de energia ou controlam a transmissão de sinais em um dispositivo.
Como esses elétrons são carregados, eles produzem “calor residual”. É por isso que seu laptop computer fica quente quando você joga um videogame exigente e por que knowledge facilities enormes operam a temperaturas extraordinariamente altas.
Os novos “interruptores excitônicos”, por outro lado, dependem de “excitons” de carga neutra – uma classe de quasipartículas criadas por “emocionante” de um elétron de forma que seja removida de sua posição dentro de um átomo.
Esses elétrons excitados deixam para trás um buraco que se liga ao elétron livre. Juntos, o elétron de movimento livre, que agora tem uma carga negativa, e o orifício deixa para trás, que tem uma carga positiva, formam uma única quasipartícula chamada “exciton” que permanece carregada neutralmente. Como os excitons têm uma carga neutra, eles não produzem calor quando transferem informações.
O poder da luz
A pesquisa inovadora, publicada em 31 de agosto na revista ACS Nanoé a primeira vez que os excitons são usados para criar um change que exceda o desempenho dos comutadores fotônicos atuais e atinge o desempenho geral da ponta.
“Os eletrônicos ficam quentes, e isso é porque os dispositivos eletrônicos sempre têm capacitores”, estuda co-autor Parag DeotoreProfessor Associado Engenharia Elétrica, Engenharia de Computação e Física Aplicada, disse à Reside Science. “Toda vez que você armazena energia ou soltar essa energia, você aquece. Um exciton é uma nova partícula neutra em termos de carga, como um fóton, que não produz esse calor”.
O novo dispositivo usa excitons para superar o problema de calor e melhora o design eletrônico, diminuindo os comutadores usados para mover informações por duas ordens de magnitude.
Deotore disse que a meta de longo prazo no desenvolvimento desses novos switches é criar circuitos excitônicos que funcionam com tanta eficiência que os sistemas de computador não precisam de ventiladores e que os telefones possam manter suas baterias carregadas por períodos muito mais longos.
Testando a ‘espessura mágica’
Embora a teoria por trás dos interruptores excitônicos seja sólida, a engenharia e o teste da nova tecnologia apresentou o maior desafio para a equipe. Em um sistema eletrônico convencional, os elétrons são empurrados onde precisam passar por uma carga elétrica de força bruta. Os excitons não têm essa opção devido à sua carga neutra.
Para que os excitons fossem para onde precisam ir, os cientistas usaram fótons igualmente carregados de maneira neutra para ordenar os excitons em uma matriz linear ao longo de um plano unidimensional-ou “cume”.
A equipe criou os excitons e os afetou com um número específico de fótons, que foram absorvidos na ponta da cordilheira para criar uma população de exciton, disse Deotore. Em outras palavras, esta é uma multidão de excitons reunida e parada no fundo de uma linha reta. A equipe então aplicou mais fótons até que os excitons comecem a se mover. Se eles adicionassem muitos fótons, os excitons falharam em seguir a cordilheira; Poucos fótons fizeram com que os excitons permanecessem imóveis.
“Nossa previsão period que, se você os cultivar o suficiente, o acoplamento leve aos excitons será tal que o impulso será destruído. E eles poderiam mostrá-lo. Então, basicamente, teve que ter uma espessura mágica”, estuda co-autor Mackillo Kiraprofessor de engenharia elétrica e de computadores, e o co-diretor do Instituto de Pesquisa Quantum da Universidade, disse à Reside Science “.
Como a luz atua como uma onda, os fótons “empurraram” os excitons uma vez que a espessura mágica foi alcançada. Observar essa atividade confirmou as teorias e provou que o experimento foi um sucesso, acrescentou Kira. “Isso é realmente fácil de verificar para experimentos, porque a cor do exciton mudará à medida que você avança, disse Kira.
Com base nos resultados do experimento, o comutador já atende ou excede os recursos da tecnologia atual.
O objetivo closing é escalar esses interruptores para circuitos que, ostensivamente, substituíram os eletrônicos atuais. Segundo os pesquisadores, são necessários vários avanços para atingir esse objetivo, incluindo a descoberta de novos materiais e o desenvolvimento de técnicas para fabricar e escalar os dispositivos de protótipo usados nos experimentos da equipe. Mas a equipe acredita que esses desafios podem ser superados em questão de décadas.
A esperança é que os interruptores e circuitos optoexcitônicos possam superar o calor residual – sem dúvida o maior problema na computação. Isso permitiria reduções maciças em tamanho, juntamente com melhorias exponenciais no desempenho, disseram os cientistas.
