Processadores poderão alcançar velocidades PHz (petahertz)

Eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/12/2012

"O material torna-se condutor tão logo um elevado pulso de luz é aplicada a ele, só que os dielétricos são 10.000 vezes mais rápidos do que os semicondutores."[Imagem: Thorsten Naeser/LMU]

Transistores de luz

Transistores controlados pela luz poderão atingir velocidades 10.000 vezes mais elevadas do que aqueles que compõem os atuais processadores de computador.

A grande novidade, porém, é que esses transistores não serão feitos de materiais semicondutores, mas de materiais isolantes, ou dielétricos.

Enquanto os processadores mais modernos funcionam a cerca de 3 GHz, um transistor isolado pode atingir 100 GHz.

Pesquisadores do Instituto Max Planck, na Alemanha, demonstraram agora que é possível atingir uma velocidade 10.000 vezes superior, saltando o tera e indo direto para os PHz, ou petahertz (10¹⁵ Hz).

Transístor dielétrico

Os pesquisadores demonstraram que é possível induzir correntes elétricas em materiais normalmente isolantes, e que essas correntes podem ser revertidas em 1 femtossegundo (10^-15 segundo).

Isso abre o caminho para a construção de transistores cujos ciclos se deem nessa mesma escala temporal, o que resultará em velocidades na faixa dos petahertz.

"Agora podemos fundamentalmente ter um dispositivo que funciona 10 mil vezes mais rápido do que um transistor que pode rodar a 100 gigahertz," disse o professor Mark Stockman, membro da equipe.

"Este é um efeito de campo, do mesmo tipo que controla um transistor. O material torna-se condutor tão logo um elevado pulso de luz é aplicada a ele, só que os dielétricos são 10.000 vezes mais rápidos do que os semicondutores," completou.

Metais, semicondutores e isolantes

Tudo ocorre em um material tipicamente isolante.

Do ponto de vista de suas propriedades elétricas, os materiais podem ser divididos em três grupos.

Os metais têm portadoras de cargas - isto é, elétrons - livres em quaisquer circunstâncias, o que significa que eles são condutores elétricos mesmo para correntes muito baixas.

Já os semicondutores são mais ranzinzas, e só transmitem eletricidade depois de receberem um empurrão inicial, que vença a sua bandgap, a diferença de energia entre a banda de condução e a banda de valência.

É isto que permite que os semicondutores operem bem como transistores, chaveando do estado condutor (1) para não-condutor (0) - eles atualmente fazem isto em velocidades muito altas, ao redor de alguns bilhões de vezes por segundo, ou seja, alguns gigahertz.

No terceiro grupo estão os dielétricos, ou isolantes, nos quais os elétrons são relativamente imóveis. Quando se tenta forçar a barra, aplicando correntes altas demais, elas são destruídos.

"Nosso trabalho demonstra como técnicas de fotônica estado-da-arte podem ajudar a explorar formas de avançar as fronteiras do processamento de informações." [Imagem: Christian Hackenberger/LMU]

Chaveamento dielétrico

Recentemente um grupo de pesquisadores construiu um transistor que evita a deterioração da sua camada isolante, o que o torna muito promissor:

- Transistor 4D coloca processadores além do silício

Mas os pesquisadores alemães foram mais rápidos: eles descobriram que os materiais dielétricos transmitem bem uma corrente, sem se deteriorar, desde que a tensão ultraforte seja aplicada muito rapidamente.

Usando um pulso de laser visível ou infravermelho próximo, eles elevaram a tensão a mais de 10 bilhões de volts em poucos femtossegundos.

Com isso, o normalmente não-condutor dielétrico passa a condutor, e depois retorna a seu estado normal, com uma velocidade imbatível pela tecnologia atual de semicondutores.

Na prática, isso significa que os dielétricos podem ser vistos como um tipo especial de semicondutor, cuja bandgap é extremamente elevada.

Acelerando a eletrônica

"Nosso trabalho demonstra como técnicas de fotônica estado-da-arte podem ajudar a explorar formas de avançar as fronteiras do processamento de informações," disse Agustin Schiffrin, principal autor da descoberta.

"Esperamos que estes resultados tragam a motivação para outros grupos de todo o mundo juntarem-se a nós na exploração e no aproveitamento dos potenciais que os materiais [dielétricos] podem oferecer para acelerar a eletrônica," completou.

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Bibliografia:
Optical-field-induced current in dielectrics
Agustin Schiffrin, Tim Paasch-Colberg, Nicholas Karpowicz, Vadym Apalkov, Daniel Gerster, Sascha Mühlbrandt, Michael Korbman, Joachim Reichert, Martin Schultze, Simon Holzner, Johannes V. Barth, Reinhard Kienberger, Ralph Ernstorfer, Vladislav S. Yakovlev, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz
Nature
Vol.: Advanced Online Publication
DOI: 10.1038/nature11567
Controlling dielectrics with the electric field of light
Martin Schultze, Elisabeth M. Bothschafter, Annkatrin Sommer, Simon Holzner, Wolfgang Schweinberger, Markus Fiess, Michael Hofstetter, Reinhard Kienberger, Vadym Apalkov, Vladislav S. Yakovlev, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz
Nature
Vol.: Advanced Online Publication
DOI: 10.1038/nature11720