IBM anuncia processadores com comunicação por luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/12/2010

A IBM anunciou o desenvolvimento de uma nova tecnologia para a construção de processadores que integra componentes elétricos e ópticos na mesma pastilha de silício.

A tecnologia permite que os chips de computador comuniquem-se usando pulsos de luz em vez de sinais elétricos.

Processamento cerebral

Os novos processadores permitirão que se alcance a faixa dos exaflops - 10¹⁸ (1 milhão de trilhões) cálculos de ponto flutuante por segundo - uma velocidade mil vezes maior do que a alcançada pelossupercomputadores mais poderosos da atualidade, que acabam de superar a faixa dos petaflops.

Segundo os pesquisadores da empresa, supercomputadores na faixa dos exaflops terão a mesma capacidade de "processamento" que o cérebro humano.

Fora do âmbito especulativo, o fato é que os novos processadores nanofotônicos poderão ser construídos em pastilhas de silício 10 vezes menores do que os atuais e consumirão muito menos energia ao trocar a eletricidade pela luz, permitindo que eles funcionem em clocks mais elevados.

A nova tecnologia é chamada CMOS Integrated Silicon Nanophotonics, o que significa que os chips que se comunicam por luz poderão ser fabricados usando os processos industriais atuais (CMOS) - os transistores de silício e os componentes nanofotônicos ficam na mesma pastilha.

"Nossa nanofotônica integrada CMOS promete um aumento sem precedentes na funcionalidade e no desempenho dos chips por meio de comunicações ópticas de baixa potência entre bastidores, módulos, processadores ou mesmo dentro de um único chip," disse o Dr. Yurii Vlasov, responsável pelo desenvolvimento, juntamente com seus colegas William Green e Solomon Assefa.

"O próximo passo nesse avanço é o desenvolvimento da manufatura deste processo em uma fábrica comercial, usando os processos CMOS," disse ele.

Integração de alta densidade

A densidade de integração alcançada nos chips fotônicos é muito superior a qualquer outro já anunciado em tecnologias similares - um canal transceptor, com todos os circuitos elétricos e ópticos, ocupa 0,5 milímetro quadrado (mm2).

Segundo os pesquisadores, isso permitirá construir chips de 4 x 4 mm2, que poderão receber e transmitir dados na faixa dos terabits por segundo.

O anúncio agora feito é o coroamento de uma série de realizações da empresa no campo da fotônica ao longo dos últimos anos:

• Março/2010 - IBM usa avalanche de luz para trocar dados entre chips
• Março/2008 - Componente permite troca de informações por luz em chip multicore
• Dezembro/2007 - Troca de informações por luz permitirá supercomputadores em um único chip
• Novembro/2005 - Cientistas da IBM "freiam a luz" no interior de um chip

Silício multiplica por dez capacidade das baterias de lítio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/11/2010

Carbono versus silício

As baterias de íons de lítio, usadas em celulares e notebooks, possuem um eletrodo negativo, ou anodo, feito de um material à base de carbono.

O carbono é necessário para acomodar os íons de lítio que se separam na reação que gera a corrente que sai da bateria. Esses íons depois voltam à bateria, durante o processo de recarregamento.

Ou seja, a capacidade de uma bateria de lítio é grandemente determinada pela capacidade do carbono em acomodar os íons.

Ocorre que o silício consegue acomodar 10 vezes mais íons de lítio do que o carbono. Então, por que não usar o silício e resolver de vez ogrande gargalo para a disseminação dos carros elétricos?

A razão é simples: depois de uns poucos ciclos de carga e recarga, o silício se esfarela e a bateria vai para o beleléu.

"Pode-se supor que, por volta de 2020 e com produção em massa, o custo das baterias terá caído pela metade. Essa produção em massa vai começar com os híbridos plug-in - carros híbridos recarregáveis através de uma tomada elétrica comum -, mas veículos elétricos a bateria "puros" também vão se beneficiar," diz ele.

Baterias tão caras quanto o carro

Ainda há muito trabalho a fazer para que as baterias de lítio tornem-se capazes de alimentar carros urbanos a preços razoáveis. Como o porta-voz da Daimler AG, Matthias Brock, faz questão de salientar, "a questão dos custos é primordial e a bateria é uma parte importante do preço de um carro [elétrico]. Para sermos competitivos, precisamos reduzir o preço das baterias, mas isso ainda vai levar alguns anos."

De acordo com Paul Nieuwenhuis, especialista em indústria automotiva na Universidade de Cardiff, no Reino Unido, a bateria de um carro híbrido padrão custa cerca de 17.000 euros (cerca de US$25 mil ou R$43 mil), o mesmo montante necessário para construir todo o restante do carro.

Baterias confiáveis

Antes disso, esses veículos devem ganhar velocidade, potência e autonomia. Neste momento, poucos veículos elétricos são capazes de viajar mais do que 60 km com uma única carga. Além disso, muitos desses modelos usam baterias de hidreto metálico de lítio (NiMH).

"Estas são as baterias convencionais para os carros elétricos e são perfeitamente funcionais", insiste Saiful Islam, da Universidade de Bath, também no Reino Unido. O que é verdade, já que é nelas que se baseiam o Mercedes-Benz Smart Car ou o próprio Toyota Prius.

Neste momento, as baterias NiMH são mais confiáveis e mais baratas do que as baterias de íons de lítio.

No entanto, como explica Saiful Islam, "as baterias de íons de lítio oferecem outros benefícios, particularmente em termos de densidade de energia, que é muito maior para a mesma massa." Esta capacidade pode ter um impacto significativo sobre o peso das baterias e sobre a capacidade de armazenamento de cada uma das pequenas células que as compõem.

De acordo com Peter Bruce, um especialista em armazenamento de energia na universidade escocesa de St. Andrews, uma bateria Li-ion produz de três a quatro volts por célula, contra um pouco mais de dois volts por célula nos outros tipos. Isto permite reduzir o número de células na bateria e aumentar a densidade de energia. Mas adaptar esse potencial para o uso em massa exige também a melhoria do desempenho de vários outros componentes das baterias.

Contudo, as atuais baterias de íons de lítio têm um grande problema: a falta de confiabilidade. Alguns fabricantes viram seus produtos explodirem em notebooks e telefones celulares. Esse cenário deve ser evitado a todo custo no caso de um veículo em movimento. "Novos materiais são a chave para o progresso nesta área,"

Novas tecnologias das baterias de lítio

O atual modelo do novo Roadster, o carro elétrico esportivo da Tesla, um fabricante localizado na Califórnia (EUA) também contém milhares de pequenas células, em vez de um pequeno número de células maiores, principalmente para reduzir o risco de uma explosão nas baterias. Esta preocupação com a segurança reflete-se parcialmente no preço do carro: mais de US$120.000,00.

"Os materiais usados até agora para o catodo impedem a produção de baterias em grande escala," diz Saiful Islam. Um dos objetivos das pesquisas é projetar catodos capazes de armazenar mais energia por meio do aumento do seu teor de lítio. E isso exigirá a utilização de novos materiais.

Em uma bateria Li-ion, quando os dois eletrodos são conectados ao circuito, libera-se energia química. Os íons de lítio fluem do catodo para o anodo quando a bateria estiver sendo carregada, e do anodo para o catodo durante a descarga.

Quando o anodo é feito de grafite, o catodo é composto principalmente por uma camada de óxido metálico, como o óxido de lítio-cobalto, ou de materiais baseados em poliânions, como o fosfato de ferro-lítio ou espinelas de óxido de magnésio e lítio. Desses materiais, o óxido de lítio-cobalto é o mais comum.

No entanto, como salienta Saiful Islam, "o cobalto traz problemas de preço e toxicidade".

Para substituir o óxido de cobalto e permitir o desenvolvimento em grande escala de baterias para aplicações automotivas, os cientistas têm concentrado seus esforços nos óxidos à base de ferro, níquel ou manganês, assim como nos catodos de fosfato de ferro-lítio (LiFePO4). Este último apresenta uma maior resistência ao calor e às correntes elétricas de alta intensidade.

Pesquisas ainda mais futuristas estão tentando livrar-se totalmente do catodo de cobalto, em uma bateria de lítio-ar na qual o lítio entra no eletrodo e reage com o oxigênio para formar óxido de lítio.

Os primeiros resultados sugerem que esta abordagem torna possível armazenar mais energia do que com as baterias tradicionais de íons de lítio. Peter Bruce fala em até 5 ou 10 vezes mais - veja detalhes em Bateria a ar pode durar 10 vezes mais que baterias de lítio e Bateria de ar-silício é a mais nova opção para armazenamento de energia.

Investimentos nos carros elétricos

As pesquisas atuais parecem promissoras, ainda que leve mais uma década até que a tecnologia dos veículos elétricos possa competir com as vantagens da tecnologia dos motores de combustão interna. Mas os esforços estão agendados.

Em março de 2009, a Comissão Europeia destinou um bilhão de euros para o desenvolvimento de carros verdes como parte do Green Cars Initiative, que é parte integrante do seu plano de recuperação econômica pós crise financeira. Uma parcela desses recursos foi destinada para as pesquisas de baterias de alta densidade, motores elétricos, redes de distribuição de eletricidade inteligentes e sistemas de recarga de veículos.

Segundo um estudo realizado pelo banco HSBC, governos de todo o mundo estão fornecendo € 12 bilhões em estímulos para veículos com baixas emissões de carbono. A maior parte desse montante foi destinada à pesquisa e desenvolvimento de baterias mais leves e carros híbridos plug-in, bem como em créditos ou restituições de impostos para consumidores que comprarem veículos novos e de baixa emissão.

Mas é preciso fazer ainda mais. Segundo Lew Fulton, especialista da Agência Internacional de Energia (AIE), se conseguirmos reduzir o custo das baterias para € 380 por kilowatt/hora, um carro híbrido conectado à rede elétrica, com um alcance de 50 km, custaria apenas cerca de € 3.000 a mais do que um modelo híbrido não-conectado - no qual a bateria é recarregada pelo motor a combustão e pela energia regenerativa dos freios.

"Colocar na estrada 2 milhões de carros híbridos conectados ao ano até 2020 exigiria, portanto, um custo adicional de € 8 bilhões por ano. As pesquisas de baterias e veículos elétricos em geral deverão custar outras várias centenas de milhões de euros por ano se pretendermos desenvolver também carros elétricos puros," disse Lew Fulton.

O desafio da eletricidade para os carros elétricos

Desenvolver sistemas de transmissão e distribuição de eletricidade adaptados à era dos carros elétricos e híbridos é outro desafio.

Será necessário aumentar a capacidade de produção de energia? Poderia o desenvolvimento de uma rede inteligente de distribuição de energia - usando a tecnologia da computação para monitorar o consumo minuto a minuto - ser suficiente para abrir o caminho para uma utilização ampla dos veículos elétricos?

Recarregar carros acionados por energia elétrica irá, certamente, aumentar a demanda de energia. Mas estes carros também poderão ser utilizados para injetar eletricidade de volta na rede. Uma vez que isto já é possível com as baterias de chumbo, seria fácil estabelecer uma interligação entre a rede de eletricidade e a frota de carros elétricos.

A inovação tecnológica, combinada com o crescimento a longo prazo nos preços do petróleo, sem dúvida anuncia mudanças à frente nas tecnologias automotivas. [Imagem: Green Car Initiative]

Três rotas paralelas

Qualquer que seja a perspectiva que se adote, o desenvolvimento futuro dos veículos elétricos é uma meta muito ambiciosa e vai exigir, em primeiro lugar, enormes investimentos.

Na Europa, uma parte do financiamento para o Green Cars Initiative é também dedicada a criar motores a combustão mais limpos e eficientes, o que é, sem dúvida, um caminho mais fácil de seguir. Mesmo assim, muitos fabricantes de automóveis abraçaram o conceito dos carros elétricos.

Matthias Brock, da Daimler AG prevê a criação de três rotas: "Os carros elétricos poderiam ser usados na cidade, dada a sua autonomia mais limitada. Para distâncias maiores, os motores de combustão interna continuarão sendo a forma mais popular de transporte. Mas também estamos dando atenção às células de combustível por causa de sua neutralidade total de emissões de carbono."

A General Motors também adotou a ideia de carros elétricos. Apesar da crise, a empresa está planejando lançar na Europa um novo veículo híbrido, chamado Opel Ampera, já em 2011. "A produção do Ampera irá em frente aconteça o que acontecer", diz Craig Cheetham, porta-voz da montadora americana.

O aumento das vendas e a melhoria da imagem da Toyota desde o lançamento do Prius certamente deu água na boca da GM. Este ingrediente inovador, que está atraindo a atenção em todos os salões de automóveis ao redor do mundo, combinado com o crescimento a longo prazo nos preços do petróleo, sem dúvida, anuncia mudanças à frente.

Plástico ganha capacidades sensoriais

Monitoramento de cargas

Para aproveitar o vento que bate sobre as pás de um moinho de energia eólica, antes de tudo é necessário garantir que as pás vão suportar a carga do próprio vento.

O mesmo acontece com as asas de um avião e com as peças estruturais de automóveis e máquinas, cada vez mais construídas com plásticos e compósitos.

Para monitorar essas forças, e evitar que o equipamento entre em regimes além de sua capacidade, são usados sensores, que devem ser colados sobre a superfície, interligados, e conectados a uma central de controle.

Esta é uma solução interessante, mas é cara e limita o monitoramento a pontos discretos e específicos da estrutura.

Metal-polímero

Agora, cientistas do Instituto Fraunhofer, na Alemanha, criaram um novo material compósito que possui "capacidades sensoriais" em toda a sua extensão.

O material pode ser inserido no meio ou na superfície de peças estruturais feitas de materiais plásticos ou compósitos - o equivalente a instalar sensores na peça inteira. E o novo material pode entrar no processo normal de conformação, quando a peça ganha o seu formato final.

O "material sensorial" é uma mistura de plástico e metal, que entra em uma categoria chamada material compósito metal-polímero.

Essa "liga" pode ser feita com vários tipos de polímero (plásticos), o que significa que o processo será útil em várias indústrias.

Mas o material tem também outras vantagens. A primeira é que, sendo um material sintético, ele é fácil de ser processado, o que pode ser feito com os esquipamentos usados na indústria, como extrusoras e injetoras. Para aplicação sobre superfícies maiores, ele pode ser laminado.

Capacidades sensoriais

Outra vantagem é que, sendo um compósito, ele é mais leve do que o equivalente metálico.

Mas o mais importante é que, graças justamente ao seu componente metálico, o metal-polímero é um bom condutor de calor e eletricidade.

São justamente essas propriedades que permitem que a liga metal-polímero funcione como um sensor em toda a sua extensão. Quando o material é submetido a uma carga, sua resistência elétrica se altera.

Essa resistência pode ser medida por meio de fios instalados apenas nas extremidades das peças. Os sinais são repassados para um equipamento de leitura para análise.

Lendo-se mais de um ponto é possível determinar as coordenadas precisas onde a carga foi aplicada.

Segundo Arne Haberkorn, gerente do projeto, o material já foi testado em uma grande variedade de peças e aplicações e já está pronto para ser repassado à indústria.

Gotas de óleo autopropelidas usam motor químico e combustível líquido.

Cientistas japoneses criaram gotas de óleo autopropelidas alimentadas por um combustível químico, um passo importante rumo ao objetivo de dar às células artificiais os mecanismos típicos de um microorganismo de verdade.

As gotas de óleo autopropelidas serão utilizadas como um modelo na pesquisa para a construção de células artificiais. A capacidade de locomoção era o elemento que faltava para literalmente dar um impulso nas pesquisas dessa área.

Motores químicos e combustível líquido

Os pesquisadores equiparam as gotas de óleo com "motores" químicos que colocam as gotas em movimento quando elas entram em contato com o combustível líquido adequado.

Na verdade, o motor químico é um catalisador altamente reativo. O combustível pode ser qualquer substância que reaja na presença desse catalisador.

Quando as gotas são postas numa solução de água contendo o combustível adequado, as gotas de óleo movimentam-se de forma controlada em direção à área com maior concentração de combustível.

Há anos vários grupos de cientistas tentam desenvolver um método para movimentar gotas de óleo de um lugar a outro de forma controlada. Apesar de várias tentativas e inúmeras abordagens utilizadas, somente o enfoque agora adotado pela equipe dos Drs. Tadashi Sugawara e Taro Toyota conseguiu resolveu o problema.

Movimento comunicativo

Quando uma gota de óleo autopropelida se aproxima de outra já em movimento ela é como que aprisionada no rastro de resíduos deixados pela outra e começa a movimentar-se de forma dependente dela.

Segundo os pesquisadores, isto garante um movimento de forma "comunicativa", em que o movimento de uma das gotas influencia o movimento da outra. O mecanismo poderá ser utilizado para estudar a interação das diversas células artificiais.

Eles acrescentam que a sua técnica deverá ser responsável por um novo impulso nas pesquisas com células artificiais, que agora poderão ser facilmente dotadas de sistemas próprios de locomoção.

Neurochip tem "suporte de vida" para células do cérebro

Cientistas da Universidade de Calgary, no Canadá, desenvolveram um neurochip capaz de monitorar a atividade de células cerebrais com uma resolução nunca alcançada antes

Segundo os pesquisadores, seu neurochip de silício é mais simples de usar, o que ajudará muito no entendimento de como as células cerebrais trabalham em condições normais, além de permitir pesquisas que buscam tratamentos para doenças neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson.

Cérebro em um microchip

O neurochip contém um "suporte de vida" para as células neurais - uma vez inseridas no chip, as células crescem, se multiplicam e são mantidas vivas, podendo ser monitoradas durante várias semanas.

Inúmeros eletrodos tocam pontos diferentes dessa rede celular in vitro, permitindo monitorar seu funcionamento e sua reações conforme novas substâncias a serem testadas - candidatos a futuros medicamentos - são adicionadas. O chip tem resolução suficiente para monitorar o "diálogo" químico e elétrico entre as células neurais em cultura.

Em relação aos neurochips anteriores, segundo os pesquisadores, era como se até agora estivéssemos vendo as pessoas conversarem à distância - "agora podemos ouvir o que cada uma diz".

"Este avanço técnico significa que poderemos acompanhar mudanças sutis na atividade cerebral ao nível dos canais iônicos e dos potenciais sinápticos, que são também os alvos mais adequados para o desenvolvimento de fármacos para doenças neurodegenerativas e distúrbios neuropsicológicos," diz o Dr. Naweed Syed, coordenador da pesquisa.

Canais iônicos

A maior vantagem do novo neurochip é que ele é automatizado. Anteriormente, eram necessários anos de treinamento para aprender como gravar a atividade dos canais iônicos das células cerebrais, e só era possível monitorar uma ou duas células ao mesmo tempo.

Com o novo dispositivo, grandes redes de células podem ser colocadas no neurochip e observadas em detalhe, permitindo a análise de vários circuitos cerebrais.

Isto permitirá, por exemplo, que múltiplas substâncias candidatas a novos medicamentos sejam testadas em uma espécie de "linha de produção", em larga escala.

Avião movido a energia solar conclui voo experimental nocturno

O aparelho pertencente ao projecto Solar Impulse voou durante pouco mais de 26 horas recorrendo apenas à energia solar acumulada nas baterias do avião.

Um avião movido a energia solar concluiu, esta quinta-feira, um voo experimental de 26 horas grande parte do qual feito à noite na zona do Jura, na Suíça, abrindo assim via para um voo à volta do mundo previsto para 2012.

Com uma envergadura de asas semelhante a um Airbus A340, o avião do projecto Solar Impulse voou durante 26 horas e nove minutos apenas com a energia acumulada antes do voo pelas baterias de lítio-polímero de 400 kg instaladas no aparelho.

O aparelho, que foi pilotado por Bertrand Piccard e por um seu companheiro, está ainda equipado 12 mil células fotovoltaicas que alimentam os motores eléctricos.

O protótipo, que pesa apenas 1600 kg, descolou na quarta-feira da base militar de Payerne, na Suíça, realizando um voo inédito durante a noite, antes de aterrar pelas 9:01 horas locais desta quinta-feira (8:01 em Lisboa).

Eletrodos plásticos tornam chips neurais compatíveis com cérebro

Chips neurais

Chips neurais

Os chamados "chips neurais" - implantes capazes de captar os sinais elétricos gerados pelo cérebro - estão sendo utilizados em várias interfaces cérebro-máquina, para o controle de robôs, equipamentos de auxílio ao movimento, como cadeiras de rodas, e em pesquisas mais avançadas para desvendar as causas de doenças neurológicas, como o Mal de Alzheimer.

O chip neural considerado como o mais avançado já apresentado até hoje é capaz de evoluir e aprender com o cérebro onde está implantado.

Reação do cérebro aos implantes

Para captar os sinais cerebrais, os eletrodos dos chips neurais devem ser inseridos diretamente no cérebro, em cirurgias altamente delicadas e invasivas. Por isso, quanto mais tempo eles durarem, melhor será a qualidade de vida do paciente, que não precisará passar por cirurgias sucessivas.

O problema é que o cérebro não aceita passivamente a inserção dos eletrodos. Assim que as pontas metálicas são implantadas, o cérebro começa a reagir, gerando inicialmente uma resposta inflamatória àquilo que é visto pelo organismo como um ferimento grave.

Após a inflamação, o cérebro passa a lidar com o ferimento de forma crônica. Se isso é ótimo para o organismo, é péssimo para o chip neural, que terá seus eletrodos encapsulados pelo tecido da cicatriz, que o impedirá de captar os sinais dos neurônios, interrompendo o funcionamento do chip.

Polímeros condutores

O que Mohammad Reza Abidian e seus colegas descobriram é que esse problema pode ser grandemente minimizado com a utilização de eletrodos biocompatíveis. Isso exige a utilização de polímeros, mas que necessariamente devem ser condutores elétricos, para que sejam capazes de captar os sinais elétricos dos neurônios.

A solução foi encontrada em um material conhecido como PEDOT - poli(3,4-etilenodioxitiofeno). O plástico condutor, que forma minúsculos nanotubos, foi utilizado para revestir os eletrodos metálicos. Além de torná-los biocompatíveis, o revestimento melhorou em mais de 30% a sensibilidade aos sinais cerebrais em relação aos eletrodos metálicos sem o revestimento.

Biossensor

Outra vantagem inesperada, descoberta quando os novos eletrodos biocompatíveis foram implantados no cérebro de cobaias, é que os sinais variam conforme o cérebro tenta defender-se da invasão.

Com isto, além de coletarem as informações dos neurônios, os eletrodos informam quando o cérebro passou de uma resposta aguda - a inflamação inicial - para a resposta crônica - quando o eletrodo é visto pelo cérebro unicamente como um ferimento em cicatrização.

O revestimento de PEDOT permite que os eletrodos operem com menor resistência elétrica do que os eletrodos metálicos, o que significa que eles podem comunicar-se mais claramente com os neurônios individuais.

"Os polímeros condutores são biocompatíveis e têm condutividade eletrônica e iônica," explica Abidian. "Desta forma, esses materiais são bons candidatos para aplicações biomédicas, como interfaces neurais, biossensores e sistemas de liberação contínua de medicamentos."

Bibliografia:

Interfacing Conducting Polymer Nanotubes with the Central Nervous System: Chronic Neural Recording using Poly(3-4-ethylenedioxythiophene) Nanotubes."
Mohammad Reza Abidian, Kip A. Ludwig, Timothy C. Marzullo, David C. Martin, Daryl R. Kipke
Advanced Materials
Vol.: 21, Issue 37 , Pages 3764 - 3770
DOI: 10.1002/adma.200900887

Chips ópticos imperfeitos abrem caminho para a computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2010

Ciência, tecnologia e filosofia

Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca acabam de surpreender o mundo da física com uma nova descoberta que, além de implicações filosóficas sobre o jeito científico de pensar, poderá ser usada no futuro para otimizar as células solares e viabilizar a fabricação dos computadores quânticos.

Inúmeros grupos de pesquisa ao redor do mundo estão estudando formas de usar as partículas fundamentais da luz, os fótons, para substituir os elétrons e criar processadores ópticos.

Além das pesquisas no campo emergente da plasmônica, progressos recente rumo à computação na velocidade da luz incluem nanofios de diamante, uma avalanche de luz e até um processador de luz que mais se parece com um arco-íris.

A beleza das imperfeições

No enfoque tradicionalmente utilizado para a fabricação dos chips ópticos, os pesquisadores fazem minúsculos furos em placas de silício, cuidadosamente espaçados, por meio dos quais eles tentam controlar e dirigir os fótons.

Até agora, o objetivo mais perseguido era aprimorar a técnica de fabricação para obter uma matriz de furos que fosse a mais regular e ordenada possível.

Isto porque havia uma convicção geral de que a desordem ou as imperfeições na malha de nanofuros reduziria ou simplesmente destruiria a funcionalidade do chip óptico.

Mostrando o quanto esses consensos científicos podem ser danosos para o progresso da ciência, o grupo de pesquisadores dinamarqueses virou tudo de cabeça para baixo ao demonstrar que matrizes de nanofuros desordenadas podem de fato ser uma grande vantagem para a fabricação dos chips ópticos.

Embora a ciência tradicionalmente venda uma imagem de "perfeição matemática" da natureza, que seria o suprassumo da organização, cada vez mais ganha espaço entre os cientistas uma visão de mundo no qual nem tudo é assim tão perfeito. E que, afinal de contas, não há nada de errado nisto - veja, por exemplo, as reportagens Aleatoriedade reina na ordem cristalina e Ordem a partir da desordem.

Chip imperfeito

Os pesquisadores espaçaram deliberadamente os furos do seu processador óptico de forma irregular, o que resultou em um chip muito mais eficiente.

O "chip desordenado" não só captura melhor os fótons como permite sua manipulação de forma mais eficaz. Os testes mostraram que, quando as ondas de luz são capturadas pelo "chip imperfeito", a interação da luz com a matéria (um átomo) é otimizada em aproximadamente 15 vezes



descoberta permitirá a fabricação de um tipo totalmente novo de processador óptico no qual a desordem será utilizada como um recurso valioso, em vez de ser considerada uma limitação a ser superada.

O jeito imperfeito de fazer chips poderá ser usada, por exemplo, em células solares e em sensores ópticos, otimizando a captura dos fótons incidentes e multiplicando a eficiência de umas e a sensibilidade de outros.

Lasers ultra miniaturizados serão outra possibilidade mais próxima da realização graças a esta descoberta. Isto sem contar o reino da emergente tecnologia da informação quântica, tanto com a segurança da criptografia quântica, quanto com a velocidade incalculável dos computadores quânticos.

Chips ópticos com estruturas ordenadas

Nos chips ópticos baseados em cristais fotônicos, utiliza-se normalmente uma malha de nanofuros espalhados de forma regular e ordenada.

Ainda que as modernas técnicas da nanotecnologia permitam fabricar estruturas de forma muito precisa, um certo elemento de desordem é inevitável em qualquer sistema real. Com isto, os protótipos atuais de chips ópticos sofrem com rugosidades e variações no posicionamento dos furos do chamado cristal fotônico.

Estas dificuldades sempre levantaram a suspeita de que os processadores ópticos poderiam ser impraticáveis no nível atual da tecnologia, dadas essas imperfeições dos processos de fabricação, que poderiam ser ainda mais problemáticas quando se tentasse sua fabricação em escala industrial.

Apesar disso, o uso da luz para processar informações é tão promissor que estas dificuldades não impediram o andamento das pesquisas.

Quando se altera a distâncias entre os furos de um cristal fotônico e se omite uma fileira de furos, cria-se um guia de ondas, um dispositivo capaz de guiar as ondas de luz na direção desejada.

Essa possibilidade de guiar as ondas de luz para locais definidos abre grandes perspectivas para a manipulação precisa da luz e seu uso em variados aparatos de transmissão e processamento de informações. Afinal, não é fácil lidar com algo que viaja a uma velocidade de 300.000 km/s.

Chips ópticos com estruturas desordenadas

Indo na contramão do fluxo, os pesquisadores dinamarqueses criaram um chip óptico intencionalmente bagunçado, com os furos "fora do lugar".

Sem a desordem, a luz se propaga ao longo do guia de ondas. Mas a presença das imperfeições - dos buracos fora do lugar - modifica completamente esse quadro. A luz acaba sendo capturada pelo guia de ondas conforme ela se dispersa ao se deparar com as imperfeições. Depois de capturados, os fótons acabam interferindo com outras partes da onda de luz.

Esta forma inesperada de posicionamento da luz revelou-se surpreendentemente eficiente - os pesquisadores conseguiram posicionar a luz no guia de ondas dentro de uma região menor do que 25 micrômetros.

Em seu experimento, os cientistas usaram fontes de luz nanoscópicas - os chamados pontos quânticos - inseridas dentro do cristal fotônico. Um ponto quântico pode ser visto como um átomo artificial que emite exatamente um fóton de cada vez.

O novo dispositivo pode então ser interpretado como uma espécie de "caixa de fótons", ou seja, uma estrutura capaz de captar e reter os constituintes elementares da luz, os fótons. Ou, em outras palavras, uma forma de acoplamento entre a luz e a matéria, criando um qubit, um bit quântico.

Ecos do Prêmio Nobel

O uso de estruturas muito desordenadas para capturar ondas de luz foi previsto teoricamente pelo norte-americano Philip W. Anderson nos anos 1950. Ele ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1977.

Suas pesquisas já produziram resultados práticos importantes para a atual geração de computadores, principalmente nos transistores e nas memórias. E parece que influenciarão também a próxima geração de computadores de luz.

Bibliografia:

Cavity quantum electrodynamics with Anderson-localized modes
Sapienza, H. Thyrrestrup, S. Stobbe, P.D., Garcia, S. Smolka, and P. Lodahl, "", Science 327, 1352 (2010). DOI: 10.1126/science.1185080
Science
12 March 2010
Vol.: 327. no. 5971, pp. 1352 - 1355