Estudo mostra que o iodeto de
chumbo pode sustentar fônon-poláritons, permitindo confinar a radiação em
escala nanométrica e viabilizando novos dispositivos de transmissão de dados
A expectativa da comunidade científica é fazer com que circuitos
de luz estejam cada vez mais presentes nos dispositivos do
cotidiano, avalia pesquisador do CNPEM
(ilustração: Rawpixel.com/Magnific)
Um cristal bidimensional lamelar
– em camadas atomicamente finas – constituído por iodeto de chumbo (PbI₂) poderá ser utilizado na fabricação
de uma nova geração de circuitos que utilizam luz e vibrações mecânicas – e não
elétrons – para transmitir informações na faixa de frequências do terahertz.
O estudo sobre esse promissor
caminho tecnológico, publicado na Nature
Communications, foi realizado por pesquisadores do Centro Nacional de
Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) em parceria com colegas da Université
de Lille (França) e de outras instituições do exterior.
A faixa de terahertz
corresponde a uma região de baixa energia do espectro eletromagnético, situada
entre o infravermelho e as micro-ondas. Apesar disso, ela é considerada
estratégica para o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de alta
velocidade. “Hoje, Wi-Fi e 5G operam em frequências de poucos gigahertz (GHz,
109 hertz). Mas existe um interesse em avançar para centenas de
gigahertz ou até terahertz (THz, 1012 hertz), porque quanto
maior a frequência, maior a largura de banda e a capacidade de transmissão de
dados”, afirma Raul de Oliveira Freitas, responsável pela linha de luz
“Imbuia” no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS-CNPEM) e coordenador
do estudo.
O trabalho investigou como, a
partir do iodeto de chumbo, um material barato, é possível produzir de forma
muito simples um cristal em camadas de altíssima qualidade, capaz de atuar como
guia de onda para radiação nessa faixa de frequências. A plataforma poderá
funcionar como: ressonador, estrutura que confina a luz e seleciona frequências
específicas, amplificando certos modos de oscilação; divisor de feixe,
dispositivo que separa um feixe de luz em dois ou mais caminhos, permitindo
distribuir o sinal óptico; ou modulador, componente que altera propriedades da
luz – como intensidade, fase ou frequência – para codificar informação.
O aspecto mais inovador do
trabalho está na capacidade de confinar a luz em volumes extremamente pequenos
– muito menores do que seu comprimento de onda. “Na faixa de terahertz, a luz
tem comprimentos de onda de centenas de micrômetros. O que a gente faz é
confinar essa luz em regiões submicrométricas”, explica Freitas.
Esse efeito é possível graças à
formação de fônon-poláritons, quase-partículas híbridas que combinam vibrações
dos átomos da rede cristalina (fônons) com luz. “É como se o fônon se vestisse
de luz, formando uma quase-partícula com propriedades únicas. As características
de propagação e interação com a matéria dessas quase-partículas são diferentes tanto
da luz isolada quanto dos fônons isolados”, comenta o pesquisador.
O confinamento extremo da luz
implica operar além do chamado limite de difração, que restringe a resolução de
sistemas ópticos convencionais. “Na óptica clássica, não é possível observar ou
manipular estruturas muito menores do que o comprimento de onda da luz. Com os
poláritons, conseguimos ultrapassar esse limite”, conta Freitas.
Para isso, os pesquisadores
utilizaram microscopia de varredura óptica de campo próximo do tipo espalhamento
(s-SNOM), técnica que emprega pontas metálicas nanométricas para a compressão
extrema de campo eletromagnético. “A ponta funciona como uma antena e assim
promove um hotspot de campo elétrico com dimensões da ordem de
dezenas de nanômetros, independentemente do comprimento de onda original. Isso
permite reduzir drasticamente a escala espacial da luz. Além disso, a densidade
de campo elétrico em sondas s-SNOM é até 10⁵ vezes maior que em
ondas livres, explicando a superioridade da técnica para pesquisas em
nanofotônica. Conseguimos confinar uma onda de 200 micrômetros em um volume de
dimensões menores que 50 nanômetros”, informa Freitas.
Outro resultado central do
estudo foi o alto fator de qualidade dos fônon-poláritons no PbI₂. Trata-se de uma medida de quanto
tempo a oscilação se mantém antes de se dissipar. “Quanto mais tempo o sistema
oscila, maior é o fator de qualidade. O PbI₂ apresentou desempenho comparável ao do nitreto de boro hexagonal
[hBN], que é o material de referência na faixa de infravermelho”, informa
Freitas.
Substituto
simples e sustentável
Ao contrário do iodeto de
chumbo, o nitreto de boro hexagonal é um material muito difícil de sintetizar,
exigindo condições extremas de pressão e temperatura. Mesmo após mais de duas
décadas de pesquisas com o hBN, pouquíssimos grupos no mundo dominam a produção
desse material com alta qualidade. Além disso, suas propriedades o tornam
adequado ao infravermelho médio, mas não à faixa de terahertz.
Já o iodeto de chumbo tem como
precursores dois elementos abundantes na natureza, e por isso baratos: o iodo e
o chumbo. E pode ser cristalizado de forma extremamente simples. “Basta
dissolver o sal em água até obter uma solução supersaturada e aquecê-la a cerca
de 80 °C, algo que pode ser feito até em um fogão doméstico. Durante o
resfriamento, o material cristaliza, formando estruturas que podem ser
coletadas”, diz o pesquisador.
A possibilidade de manipular a
luz em escala nanométrica abre caminho para circuitos fotônicos integrados,
capazes de substituir ou complementar circuitos eletrônicos. “Atualmente, o
tráfego de informação dentro de dispositivos é feito por elétrons. Usar luz
pode aumentar drasticamente a velocidade e reduzir perdas. É algo análogo ao
que ocorreu no campo das telecomunicações. Antes, utilizávamos cabos elétricos;
hoje, empregamos fibras ópticas, que permitem velocidades muito maiores. O
mesmo princípio pode ser levado para dentro dos chips. E, além da maior
velocidade, há ganhos energéticos: a luz sofre muito menos perdas do que as
correntes elétricas. Isso pode resultar em soluções mais eficientes e
sustentáveis”, argumenta Freitas.
O iodeto de chumbo também é
relevante em outra área estratégica: a das tecnologias baseadas em perovskitas.
As perovskitas são materiais com estrutura cristalina específica, do tipo ABX₃, onde A é um cátion maior (orgânico
ou inorgânico), B é um cátion metálico menor e X é um ânion, geralmente um
halogênio (como I⁻, Br⁻ ou Cl⁻). Por sua alta eficiência na absorção e conversão da luz, essa classe
de materiais é amplamente utilizada em células solares e dispositivos
optoeletrônicos. Por isso, existe hoje em dia uma verdadeira explosão de
pesquisas relacionadas com perovskitas.
Como o PbI₂ é um precursor típico para a
síntese de perovskitas, compreender suas propriedades pode ajudar a entender
mecanismos de degradação das perovskitas – um tema que está fazendo muitos
pesquisadores quebrarem a cabeça.
Os desdobramentos do trabalho
incluem a implantação de uma nova infraestrutura experimental no CNPEM. “Já
operamos, no Sirius, uma estação de nanoespectroscopia no infravermelho,
chamada Imbuia. Estamos estruturando agora a linha Tatu, dedicada ao terahertz.
A nova linha permitirá explorar uma ampla classe de materiais com propriedades
semelhantes às do iodeto de chumbo. Será uma instalação única no mundo, que
permitirá estudar o comportamento desses materiais em várias frequências. O
forte apoio da FAPESP está sendo fundamental para isso”, sublinha Freitas.
Embora ainda em estágio de
ciência fundamental, o estudo aponta para um amplo horizonte tecnológico
relacionado à transmissão e eventualmente ao processamento de informação. “A
expectativa da comunidade científica é fazer com que circuitos de luz estejam
cada vez mais presentes nos dispositivos do cotidiano”, resume Freitas.
O estudo foi apoiado pela
FAPESP por meio dos projetos 19/14017-9, 22/14245-4, 24/09159-7 e 23/09839-5.
O artigo High
quality-factor terahertz phonon-polaritons in layered lead iodide pode
ser lido em: nature.com/articles/s41467-026-69027-6.
José Tadeu Arantes
Agência FAPESPhttps://agencia.fapesp.br/material-barato-comprime-a-luz-e-abre-caminho-para-microcircuitos-fotonicos-na-faixa-de-terahertz/57990
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