Primeiro Fototransistor Velocidade Petahertz Funciona em Condições Ambientes

Mohammed Hassan (direita), professor associado de física e ciências ópticas, e Mohamed Sennary, estudante de graduação estudando óptica e física, segurando transistor comercial usado para desenvolver transistor velocidade petahertz. (Imagem: Os pesquisadores)

E se pulsos ultra-rápidos de luz pudessem operar computadores em velocidades um milhão de vezes mais rápidas que melhores processadores atuais? Equipe de cientistas, incluindo pesquisadores da Universidade do Arizona, está trabalhando para tornar isso possível.

Descoberta Revolucionária

Em esforço internacional inovador, pesquisadores do Departamento de Física na Faculdade de Ciências e Faculdade de Ciências Ópticas James C. Wyant demonstraram forma de manipular elétrons em grafeno usando pulsos de luz que duram menos de um trilionésimo de segundo. Aproveitando efeito quântico conhecido como tunelamento, registraram elétrons contornando barreira física quase instantaneamente, feito que redefine limites potenciais de poder de processamento computacional.

Estudo publicado em Nature Communications destaca como técnica pode levar a velocidades de processamento na faixa petahertz — mais de 1.000 vezes mais rápidas que chips de computador modernos.

Enviar dados nessas velocidades revolucionaria computação como conhecemos, disse Mohammed Hassan, professor associado de física e ciências ópticas. Hassan há muito persegue tecnologia de computação baseada em luz e anteriormente liderou esforços para desenvolver microscópio eletrônico mais rápido do mundo.

"Experimentamos enorme salto no desenvolvimento de tecnologias como software de inteligência artificial, mas velocidade de desenvolvimento de hardware não avança tão rápido", disse Hassan. "Mas, apoiando-nos na descoberta de computadores quânticos, podemos desenvolver hardware que acompanhe revolução atual em software de tecnologia da informação. Computadores ultra-rápidos auxiliarão muito descobertas em pesquisa espacial, química, saúde, e mais."

Equipe e Metodologia

Hassan trabalhou junto com colegas da U of A: Nikolay Golubev, professor assistente de física; Mohamed Sennary, estudante de graduação em óptica e física; Jalil Shah, pesquisador pós-doutorado em física; e Mingrui Yuan, estudante de graduação em óptica. Juntaram-se colegas do Laboratório de Propulsão a Jato do Instituto de Tecnologia da Califórnia e Universidade Ludwig Maximilian de Munique, Alemanha.

Equipe estudava originalmente condutividade elétrica de amostras modificadas de grafeno, material composto de única camada de átomos de carbono. Quando laser incide em grafeno, energia do laser excita elétrons no material, fazendo-os mover e formar corrente.

Às vezes, essas correntes elétricas se cancelam. Hassan disse que isso acontece porque onda de energia do laser move para cima e para baixo, gerando correntes iguais e opostas em cada lado do grafeno. Devido à estrutura atômica simétrica do grafeno, estas correntes se espelham e cancelam, deixando nenhuma corrente detectável.

Mas e se um único elétron pudesse atravessar o grafeno, e sua jornada pudesse ser capturada e rastreada em tempo real? Esse "tunelamento" quasi-instantâneo foi resultado inesperado da equipe modificando diferentes amostras de grafeno.

"Isso que mais amo na ciência: descoberta real vem de coisas que você não espera que aconteçam", disse Hassan. "Entrando no laboratório, você sempre antecipa o que acontecerá — mas beleza real da ciência são pequenas coisas que acontecem e levam a investigar mais. Uma vez que percebemos que alcançamos este efeito de tunelamento, tivemos que descobrir mais."

Transistor Petahertz Quântico

Usando fototransistor de grafeno comercialmente disponível modificado para introduzir camada especial de silício, pesquisadores usaram laser que liga e desliga a taxa de 638 attossegundos para criar o que Hassan chamou de "transistor quântico petahertz mais rápido do mundo".

Um transistor é dispositivo que atua como interruptor ou amplificador eletrônico controlando fluxo de eletricidade entre dois pontos e é fundamental para desenvolvimento de eletrônica moderna.

"Para referência, um único attossegundo é um quintilhonésimo de segundo", disse Hassan. "Isso significa que esta conquista representa grande salto no desenvolvimento de tecnologias de computação ultra-rápida ao realizar transistor velocidade petahertz."

Operação em Condições Ambientes

Enquanto alguns avanços científicos ocorrem sob condições estritas, incluindo temperatura e pressão, este novo transistor funcionou em condições ambientes — abrindo caminho para comercialização e uso em eletrônica cotidiana.

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