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Grafeno para acelerar computadores

Eficiência na conversão de luz em sinais elétricos é promissora para a computação de alta velocidade

 

Thomas Mueller
Uma nova classe de fotodetectores detecta luz utilizando grafeno, lâminas de carbono da espessura de um único átomo. Os dispositivos concentram luz usando um guia de silicone (azul) para intensificar sua absorção por uma folha de grafeno (cinza) para que fios (amarelo) possam receber um sinal elétrico.

 
Por Mark Peplow e revista Nature

O grafeno já é muito apreciado por sua notável resistência e condutividade elétrica, propriedades que levaram os pesquisadores a empregá-lo intensivamente em aplicações que vão desde raquetes de tênis até componentes eletrônicos flexíveis.

Agora a estrutura em treliça do carbono, de apenas um átomo de espessura, acrescentou mais uma propriedade ao seu repertório.

Três grupos de pesquisa mostraram de forma independente que o grafeno converte, com eficiência, a luz infravermelha em sinais elétricos, como parte de dispositivos conhecidos como fotodetectores.

Como tradutores rápidos e precisos de dados ópticos, os fotodetectores de grafeno poderiam acelerar computadores e reduzir consideravelmente o consumo de energia dos equipamentos. Os dispositivos, cada um com uma arquitetura ligeiramente diferente, foram descritos na revista Nature Photonics.

Esse desempenho rivaliza o de fotodetectores existentes. “Estamos observando que o grafeno está chegando a um ponto em que pode competir com as tecnologias atuais”, diz Dirk Englund, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge, que desenvolveu um dos novos fotodetectores. “Esse é um importante passo novo”.

As fibras ópticas já utilizam a luz para transmitir dados por longas distâncias. Dentro de um computador, no entanto, os elétrons ainda se movem desordenadamente por caminhos de cobre para transportar bits de dados dentro de um chip e de chip para chip. Os circuitos eletrônicos convencionais não são apenas mais lentos que fibras ópticas, mas também desperdiçam uma grande quantidade de energia para superar a resistência do cobre.

Para integrar chips com fibras ópticas, os engenheiros precisam de sensores de luz minúsculos que podem reconverter vários comprimentos de onda da luz em pulsos elétricos. No entanto, os fotodetectores convencionais, que utilizam o semicondutor germânio, só convertem uma gama limitada de comprimentos de onda.

Fechando o “gap”

É nesse aspecto que o grafeno triunfa. O germânio só pode detectar fótons que têm energia suficiente para empurrar elétrons através de uma barreira de energia chamada de “band gap” (“gap de energia”, também chamada de “banda proibida”), permitindo que uma carga elétrica se mova livremente através do semicondutor. Grafeno pode detectar qualquer comprimento de onda, porque não tem um band gap, explica Thomas Mueller, um físico da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, que também criou um fotodetector de grafeno. Além disso, esse material é mais barato que o germânio e mais fácil de ser incorporado em um chip de silício.

Os primeiros fotodetectores de grafeno, fabricados em 2009, eram extremamente ineficientes porque o material eram transparentes para a maior parte da luz. Os três grupos de cientistas superaram esse problema ao conduzir a luz ao longo de um “guia de onda de silício” que corre paralelamente a uma folha de grafeno (ver imagem acima) e aumenta a interação da luz sem reduzir a velocidade.

Os dispositivos mais recentes geram de 50 a 100 vezes mais correntes que os detectores anteriores a partir da mesma quantidade de luz. Embora isso ainda seja dez vezes menos que a capacidade dos fotodetectores de germânio, “o gap está se fechando muito, muito rapidamente”, diz Englund.

Os elétrons também podem se mover em alta velocidade através do grafeno, tornando o material ideal para processar quantidades muito grandes dados. “Aqui no laboratório??, esses dispositivos provavelmente são melhores que os detectores existentes”, observa Englund. O fotodetector de sua equipe conseguiu lidar com 12 gigabits de dados por segundo — “um número bastante padrão para dispositivos optoeletrônicos de alta velocidade” — e ele provavelmente suplantará isso.

Um terceiro grupo de pesquisadores, da Chinese University of Hong Kong em Shatin, criou um fotodetector de grafeno capaz de detectar comprimentos de onda de luz mais longos, na parte central do infravermelho do espectro. Além disso, ele conseguiu fazer isso à temperatura ambiente, enquanto os detectores convencionais que registram esses comprimentos de onda precisam ser resfriados com nitrogênio líquido. Isso poderia torná-lo particularmente útil em aplicações que medem respostas moleculares à luz infravermelha para identificar determinadas substâncias químicas no meio ambiente ou em amostras médicas, por exemplo.

A principal barreira para comercializar esses dispositivos é a dificuldade de produzir grafeno de alta qualidade em grande quantidade, diz Englund.

Todos os três grupos produziram seus grafenos de modo artesanal, retirando as lâminas de carbono de uma amostra maior. Os pesquisadores estão trabalhando em tecnologias alternativas promissoras, como a aplicação de vapor químico, para aumentar a produção de lâminas, informa Ming Liu, um engenheiro elétrico da University of California em Berkeley e coautor de um artigo News and Views (Novidades e Opiniões, em tradução livre) para acompanhar os trabalhos na Nature Photonics.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado originalmente em 15 de setembro de 2013.

sciambr18set2013