Até agora, a capacidade de tornar os dispositivos eletrônicos mais rápidos se resumia a um princípio simples: reduzir a escala de transistores e outros componentes. Mas essa abordagem está atingindo seu limite, pois os benefícios do encolhimento são contrabalançados por efeitos prejudiciais, como resistência e diminuição da potência de saída.
Elison Matioli do Laboratório de Pesquisa Eletrônica de Gap de Banda Larga e Potência (POWERlab) na Escola de Engenharia da EPFL explica que a miniaturização adicional não é, portanto, uma solução viável para melhorar o desempenho da eletrônica. “Novos artigos descrevem dispositivos cada vez menores, mas no caso de materiais feitos de nitreto de gálio, os melhores dispositivos em termos de frequência já foram publicados alguns anos atrás”, diz ele. “Depois disso, realmente não há nada melhor, porque conforme o tamanho do dispositivo é reduzido, enfrentamos limitações fundamentais. Isso é verdade independentemente do material usado.”
Em resposta a esse desafio, Matioli e o estudante de doutorado Mohammad Samizadeh Nikoo criaram uma nova abordagem para a eletrônica que poderia superar essas limitações e possibilitar uma nova classe de dispositivos terahertz. Em vez de encolher seu dispositivo, eles o reorganizaram, notadamente gravando contatos padronizados chamados metaestruturas em distâncias de subcomprimento de onda em um semicondutor feito de nitreto de gálio e nitreto de gálio e índio. Essas metaestruturas permitem que os campos elétricos dentro do dispositivo sejam controlados, produzindo propriedades extraordinárias que não ocorrem na natureza.
Crucialmente, o dispositivo pode operar em frequências eletromagnéticas na faixa de terahertz (entre 0,3-30 THz) – significativamente mais rápido do que as ondas de gigahertz usadas na eletrônica de hoje. Eles podem, portanto, transportar quantidades muito maiores de informações para um determinado sinal ou período, dando-lhes grande potencial para aplicações em comunicações 6G e além.
“Descobrimos que a manipulação de campos de radiofrequência em escalas microscópicas pode aumentar significativamente o desempenho de dispositivos eletrônicos, sem depender de redução agressiva de escala”, explica Samizadeh Nikoo, primeiro autor de um artigo sobre a descoberta recentemente publicado na revista Natureza.
Grave altas frequências, grave baixa resistência
Como as frequências de terahertz são muito rápidas para a eletrônica atual gerenciar e muito lentas para aplicações ópticas, esse intervalo é frequentemente chamado de ‘intervalo de terahertz’. Usar metaestruturas de subcomprimento de onda para modular ondas terahertz é uma técnica que vem do mundo da ótica. Mas o método do POWERlab permite um grau sem precedentes de controle eletrônico, ao contrário da abordagem ótica de lançar um feixe de luz externo sobre um padrão existente.
“Em nossa abordagem baseada em eletrônica, a capacidade de controlar radiofrequências induzidas vem da combinação dos contatos padronizados de subcomprimento de onda, mais o controle do canal eletrônico com tensão aplicada. Isso significa que podemos alterar o efeito coletivo dentro do metadedispositivo por induzindo elétrons (ou não)”, diz Matioli.
Enquanto os dispositivos mais avançados do mercado hoje podem atingir frequências de até 2 THz, os metadedispositivos do POWERlab podem chegar a 20 THz. Da mesma forma, os dispositivos de hoje que operam perto da faixa de terahertz tendem a quebrar em tensões abaixo de 2 volts, enquanto os metadedispositivos podem suportar mais de 20 volts. Isso permite a transmissão e modulação de sinais terahertz com muito mais potência e frequência do que é possível atualmente.
Soluções integradas
Como explica Samizadeh Nikoo, a modulação de ondas terahertz é crucial para o futuro das telecomunicações, pois os crescentes requisitos de dados de tecnologias como veículos autônomos e comunicações móveis 6G estão atingindo rapidamente os limites dos dispositivos atuais. Os metadispositivos eletrônicos desenvolvidos no POWERlab poderiam formar a base para a eletrônica terahertz integrada ao produzir chips compactos de alta frequência que já podem ser usados com smartphones, por exemplo.
“Esta nova tecnologia pode mudar o futuro das comunicações de ultra-alta velocidade, pois é compatível com os processos existentes na fabricação de semicondutores. Demonstramos transmissão de dados de até 100 gigabits por segundo em frequências de terahertz, que já é 10 vezes maior do que o que temos hoje com 5G”, diz Samizadeh Nikoo.
Para realizar plenamente o potencial da abordagem, Matioli diz que o próximo passo é desenvolver outros componentes eletrônicos prontos para integração em circuitos terahertz.
“Eletrônica terahertz integrada é a próxima fronteira para um futuro conectado. Mas nossos metadedispositivos eletrônicos são apenas um componente. Precisamos desenvolver outros componentes terahertz integrados para realizar plenamente o potencial desta tecnologia. Essa é a nossa visão e objetivo.”
Com informações de Science Daily.