Ultrafast Terahertz Tech Via Metadispositivos Eletrônicos

Telecomunicações ultrarrápidas em frequências de terahertz agora são possíveis usando "metadispositivos eletrônicos", que podem preparar o terreno para a próxima geração de aparelhos velozes. A maneira como esses novos dispositivos controlam os campos elétricos é semelhante à forma como as capas de invisibilidade manipulam a luz, o calor e o som, segundo um novo estudo.

À medida que a eletrônica encolhe, seguindo a Lei de Moore, ela enfrenta inúmeros desafios em termos de alcance de aplicações práticas. Freqüentemente, os problemas encontrados por esses dispositivos resultam em desempenho significativamente pior do que o esperado, dado o potencial dos materiais semicondutores dos quais são feitos.

Por exemplo, dispositivos menores podem conter apenas alguns volts devido a campos elétricos extremamente altos, o que limita a potência máxima que eles podem fornecer. Além disso, as frequências máximas de operação de gadgets em miniatura são muitas vezes drasticamente limitadas por altas capacitâncias parasitas inevitáveis. Além disso, junções de tunelamento de última geração, que são amplamente utilizadas em transistores e diodos, apresentam alta resistência de contato – ou seja, resistência elétrica em seus pontos de contato com outros componentes – o que limita o desempenho geral dos dispositivos.

Para superar esses desafios, no novo estudo, os pesquisadores se inspiraram nos recentes avanços extraordinários feitos com metamateriais, que são projetados para possuir recursos geralmente não encontrados na natureza, como a capacidade de dobrar a luz de maneiras inesperadas. Esse trabalho levou a mantos de invisibilidade que podem esconder objetos da luz, som, calor e outros tipos de ondas.

Os metamateriais ópticos, projetados para manipular a luz, possuem estruturas com padrões repetidos em escalas menores que os comprimentos de onda da luz que eles influenciam. No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram dispositivos que são projetados de forma semelhante, pois possuem estruturas menores em escala do que as interações eletromagnéticas coletivas semelhantes a ondas que são desenvolvidas para controlar.

"Desenvolvemos novos tipos de dispositivos que são alternativas aos transistores e diodos e permitem velocidades muito mais altas", diz o principal autor do estudo, Mohammad Samizadeh Nikoo, engenheiro elétrico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em Zurique. "Chamamos esse conceito de 'metadispositivos eletrônicos', e ele pode fazer muito mais do que um dispositivo normal."

Em um dispositivo eletrônico convencional, pode-se encontrar dois terminais retangulares separados por um vão retangular. Em um metadispositivo eletrônico, pode-se ver um par de terminais, cada um com a forma de uma chave, com os dentes de uma chave se encaixando nas aberturas da outra e vice-versa. A lacuna entre esses terminais em forma de chave é em forma de ziguezague em vez de reta. O tamanho preciso e outras características dos componentes em um meiodispositivo eletrônico ajudam a determinar quais frequências ele manipula e quais efeitos ele tem.

Dispositivos eletrônicos normais "são baseados no controle de elétrons - existe um portão que permite que os elétrons saiam ou os force a parar", diz Samizadeh Nikoo. Em contraste, os metadispositivos eletrônicos controlam micro-ondas, ondas milimétricas, terahertz e outros sinais eletromagnéticos de radiofrequência "sem injetar um único elétron", diz ele.

Os cientistas observam que esse conceito geralmente pode ser aplicado a qualquer plataforma de semicondutores, incluindo sistemas CMOS convencionais, diamante e materiais 2D recentes. "Esta nova tecnologia pode mudar o futuro das comunicações de velocidade ultra-alta, pois é compatível com os processos existentes na fabricação de semicondutores", diz Samizadeh Nikoo.

Esses novos dispositivos podem ajudar a superar um grande desafio que a eletrônica agora enfrenta com velocidade. As comunicações sem fio atuais podem usar sinais tão rápidos quanto dezenas de gigahertz; futuras comunicações 6G precisam de sinais tão rápidos quanto 1 terahertz. "Dispositivos eletrônicos tradicionais, como transistores, no entanto, não podem operar em velocidades tão altas, o que costuma ser chamado de intervalo de terahertz", diz Samizadeh Nikoo. "Este é um grande gargalo no desenvolvimento de tecnologias futuras."