Após 50 anos de esforço, pesquisadores fizeram silício emitir luz


Dentro da bolacha, os átomos de silício são organizados como uma estrutura de cristal cúbico que permite que os elétrons se movam dentro da estrutura sob certas condições de tensão. Mas não permite movimentos semelhantes para os fótons, e é por isso que a luz não pode se mover através do silício com facilidade. Os físicos levantaram a hipótese de que alterar a forma da rede de silício para que ela seja composta por hexágonos repetidos em vez de cubos permitiria a propagação de fótons através do material. Mas, na verdade, a criação dessa estrutura hexagonal mostrou-se incrivelmente desafiadora porque o silício quer cristalizar em sua forma cúbica mais estável. “As pessoas tentam fabricar silício hexagonal há quatro décadas e não conseguiram”, diz Bakkers.

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Bakkers e seus colegas de Eindhoven trabalham na criação de uma estrutura hexagonal de silício há cerca de uma década. Parte de sua solução envolvia o uso de nanofios feitos de arseneto de gálio como andaime para o crescimento de nanofios feitos da liga de silício-germânio que possuem a estrutura hexagonal desejada. A adição de germânio ao silício é importante para ajustar o comprimento de onda da luz e outras propriedades ópticas do material. “Demorou mais do que eu esperava”, diz Bakkers. “Eu esperava estar aqui há cinco anos, mas havia muitos ajustes finos de todo o processo.”

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Para testar se os nanofios de liga de silício emitem luz, Bakkers e seus colegas os usaram com um laser infravermelho e mediram a quantidade de luz infravermelha que a produzia do outro lado. A quantidade de energia que Bakkers e seus colegas detectaram saindo dos nanofios como luz infravermelha estava próxima da quantidade de energia que o laser despejou no sistema, o que sugere que os nanofios de silício são muito eficientes no transporte de fótons.

O próximo passo, diz Bakkers, será usar a técnica que eles desenvolveram para criar um pequeno laser feito a partir da liga de silício. Bakkers diz que seu laboratório já começou a trabalhar nisso e pode ter um laser de silício funcionando até o final do ano. Depois disso, o próximo desafio será descobrir como integrar o laser aos chips eletrônicos convencionais. “Isso seria muito sério, mas também é difícil”, diz Bakkers. “Estamos pensando em encontrar uma maneira de fazer isso.”

Bakkers diz que não prevê que futuros chips de computador sejam totalmente ópticos. Dentro de um componente, como um microprocessador, ainda faz sentido usar elétrons para mover as curtas distâncias entre transistores. Mas para distâncias “longas”, como entre a CPU de um computador e sua memória ou entre pequenos grupos de transistores, o uso de fótons em vez de elétrons pode aumentar a velocidade da computação, reduzindo o consumo de energia e removendo o calor do sistema. Enquanto os elétrons devem transmitir dados em série, um elétron após o outro, os sinais ópticos podem transmitir dados em muitos canais ao mesmo tempo o mais rápido possível fisicamente – a velocidade da luz.

Como os circuitos fotônicos podem embaralhar rapidamente grandes quantidades de dados em torno de um chip de computador, é provável que eles encontrem amplo uso em aplicativos com uso intensivo de dados. Por exemplo, eles podem ser um benefício para os computadores em carros autônomos, que precisam processar uma quantidade imensa de dados dos sensores a bordo em tempo real. Os chips fotônicos também podem ter aplicações mais comuns. Como eles não geram tanto calor quanto os chips eletrônicos, os datacenters não precisam de tanta infraestrutura de refrigeração, o que poderia ajudar a reduzir sua enorme pegada energética.

Pesquisadores e empresas já conseguiram integrar lasers em circuitos eletrônicos simples, mas os processos eram muito complexos e caros para serem implementados em escala, de modo que os dispositivos tinham apenas aplicações de nicho. Em 2015, um grupo de pesquisadores do MIT, da UC Berkeley e da Universidade do Colorado integrou com sucesso circuitos fotônicos e eletrônicos em um único microprocessador pela primeira vez. “Essa demonstração pode representar o início de uma era de sistemas eletrônicos-fotônicos em escala de chip com potencial para transformar arquiteturas de sistemas de computação, permitindo computadores mais poderosos, da infraestrutura de rede a data centers e supercomputadores”, escreveram os pesquisadores no jornal.

Ao demonstrar sua aplicação no ingrediente principal em chips de computador convencionais, Bakkers e seus colegas deram outro grande passo em direção à computação prática baseada em luz. Os chips de computador eletrônico atendem fielmente às nossas necessidades de computação há meio século, mas em nosso mundo faminto por dados, é hora de acelerar nossos processadores à velocidade da luz.


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