Ilustração da estrutura ouro-grafeno na qual as ondas de elétrons de cargas reais e virtuais são direcionadas com dois pulsos de laser ultrarrápidos. O efeito combinado pode ser usado em uma porta lógica ultrarrápida. Crédito: Michael Osadciw, Universidade de Rochester
A simulação de modelos científicos complexos no computador ou o processamento de grandes volumes de dados, como a edição de material de vídeo, consome tempo e poder de computação consideráveis. Pesquisadores da Cátedra de Física do Laser da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e uma equipe da Universidade de Rochester, em Nova York, demonstraram como a velocidade das operações fundamentais de computação pode ser aumentada no futuro para até um milhão vezes mais rápido usando pulsos de laser. Suas descobertas foram publicadas em 11 de maio de 2022, na revista Natureza.
A velocidade de computação dos processadores de computadores e smartphones de hoje é dada por transistores de efeito de campo. Na competição para produzir dispositivos mais rápidos, o tamanho desses transistores é constantemente reduzido para encaixar o maior número possível em chips. Os computadores modernos já operam na velocidade impressionante de vários gigahertz, o que se traduz em vários bilhões de operações de computação por segundo. Os transistores mais recentes medem apenas 5 nanômetros (0,000005 milímetros) de tamanho, o equivalente a não muito mais do que alguns átomos. Há limites para o quão longe os fabricantes de chips podem ir e, em um certo ponto, não será possível fazer transistores menores.
A luz é mais rápida
Os físicos estão trabalhando duro para controlar a eletrônica com ondas de luz. A oscilação de uma onda de luz leva aproximadamente um femtosegundo, que é um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Controlar sinais elétricos com luz pode tornar os computadores do futuro mais de um milhão de vezes mais rápidos, que é o objetivo do processamento de sinais petahertz ou da eletrônica de ondas de luz.
De ondas de luz a pulsos de corrente
A eletrônica é projetada para transferir e processar sinais e dados na forma de informação lógica, usando lógica binária (1 e 0). Esses sinais também podem assumir a forma de pulsos de corrente.
Pesquisadores da Cátedra de Física do Laser vêm investigando como as ondas de luz podem ser convertidas em pulsos de corrente para muitos anos. Em seus experimentos, os pesquisadores iluminam uma estrutura de[{” attribute=””>graphene and gold electrodes with ultrashort laser pulses. The laser pulses induce electron waves in the graphene, which move toward the gold electrodes where they are measured as current pulses and can be processed as information.
Real and virtual charges
Depending on where the laser pulse hits the surface, the electron waves spread differently. This creates two types of current pulses which are known as real and virtual charges.
Tobias Boolakee. Credit: FAU/Johanna Hojer
“Imagine that graphene is a pool and the gold electrodes are an overflow basin. When the surface of the water is disturbed, some water will spill over from the pool. Real charges are like throwing a stone into the middle of the pool. The water will spill over as soon as the wave that has been created reaches the edge of pool, just like electrons excited by a laser pulse in the middle of the graphene,” explains Tobias Boolakee, lead author of the study and researcher at the Chair of Laser Physics.
“Virtual charges are like scooping the water from the edge of the pool without waiting for a wave to be formed. With electrons, this happens so quickly that it cannot be perceived, which is why it is known as a virtual charge. In this scenario, the laser pulse would be directed at the edge of the graphene right next to the gold electrodes.” Both virtual and real charges can be interpreted as binary logic (0 or 1).
Logic with lasers
The laser physicists at FAU have been able to demonstrate with their experiments for the first time that this method can be used to operate a logic gate – a key element in computer processors. The logic gate regulates how the incoming binary information (0 and 1) is processed. The gate requires two input signals, here electron waves from real and virtual charges, excited by two synchronized laser pulses. Depending on the direction and strength of the two waves, the resulting current pulse is either aggregated or erased. Once again, the electrical signal that the physicists measure can be interpreted as binary logic, 0 or 1.
“This is an excellent example of how basic research can lead to the development of new technology. Through fundamental theory and its connection with the experiments, we have uncovered the role of real and virtual charges which has opened the way to the creation of ultrafast logic gates,” says Ignacio Franco from the University of Rochester.
“It will probably take a very long time before this technology can be used on a computer chip. But at least we know that light wave electronics is a feasible technology,” adds Tobias Boolakee.
Reference: “Light-field control of real and virtual charge carriers” by Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco and Peter Hommelhoff, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9
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