Nanolâmpadas incandescentes podem iluminar e fazer computação

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/09/2019

Estes emissores, ilustrados na produção de infravermelho, combinam vários fenômenos em um sistema único que transforma calor em luz.
[Imagem: Chloe Doiron/Rice University]

Lâmpadas incandescentes ajustáveis

Chloe Doiron e Gururaj Naik, da Universidade Rice, nos EUA, criaram o que pode ser visto como as menores lâmpadas incandescentes do mundo.

Essas estruturas em microescala, denominadas "emissores térmicos seletivos", que absorvem calor e emitem luz, podem ter aplicações em iluminação, sensores, fotônica e eventualmente até em plataformas de computação além das limitações do silício.

Basicamente, os dois pesquisadores criaram uma fonte de luz incandescente quebrando um sistema de um elemento - o filamento incandescente de uma lâmpada - em duas ou mais subunidades. A possibilidade de misturar e recombinar as subunidades dá ao sistema uma variedade de recursos, muito além de uma simples lâmpada.

"Anteriormente, as pessoas pensavam em uma fonte de luz como apenas um elemento e tentavam tirar o melhor proveito dele. Mas nós dividimos a fonte em muitos elementos minúsculos. Nós juntamos os subelementos de tal maneira que eles interagem uns com os outros. Um elemento pode dar brilho; o próximo elemento pode ser ajustado para fornecer especificidade de comprimento de onda. Compartilhamos a trabalho entre muitas peças pequenas.

"A ideia é confiar no comportamento coletivo, não apenas em um único elemento. Quebrar o filamento em várias partes nos dá mais graus de liberdade para projetar a funcionalidade," disse Gururaj Naik.

Física não-hermitiana

O sistema funciona com base na física não-hermitiana, uma maneira da mecânica quântica de descrever sistemas "abertos" que dissipam energia - neste caso, calor - em vez de retê-la. Isso foi feito combinando dois tipos de osciladores passivos, quase em nanoescala, que são acoplados eletromagneticamente quando aquecidos a cerca de 700 ºC. Quando o oscilador metálico emite luz térmica (infravermelho), ele aciona o disco de silício acoplado para armazenar a luz e liberá-la da maneira desejada.

A saída do ressonador emissor de luz pode ser controlada amortecendo o ressonador ou controlando o nível de acoplamento através de um terceiro elemento entre os ressonadores.

Imagem das nanolâmpadas feita por microscopia eletrônica.
[Imagem: The Naik Lab/Rice University]

"O brilho e a seletividade são intercambiáveis. Os semicondutores lhe dão uma alta seletividade, mas um brilho baixo, enquanto os metais oferecem uma emissão muito brilhante, mas baixa seletividade. Ao unir esses elementos, podemos obter o melhor dos dois mundos," disse Chloe Doiron.

Lâmpadas e computação

Embora as lâmpadas incandescentes comerciais tenham dado lugar aos LEDs por sua eficiência energética, as lâmpadas incandescentes ainda são os únicos meios práticos para produzir luz infravermelha.

"A detecção e sensoriamento por infravermelho ainda dependem dessas fontes," disse Naik. "O que criamos é uma nova maneira de criar fontes de luz brilhantes, direcionais e que emitem luz em estados e comprimentos de onda específicos, incluindo infravermelho".

E esse sistema pode representar uma oportunidade inusitada para a computação além do silício.

"O Roteiro Internacional para Tecnologia de Semicondutores (ITRS) entende que a tecnologia de semicondutores está atingindo a saturação e eles estão pensando em quais comutadores de próxima geração substituirão os transistores de silício," disse Naik. "O ITRS prevê que será um comutador óptico e que usará o conceito de simetria de paridade-tempo, como fizemos aqui, porque a chave precisa ser unidirecional. Ela envia luz na direção que queremos, e nada volta, como um diodo para a luz, em vez de eletricidade."

Bibliografia:

Artigo: Non-Hermitian Selective Thermal Emitters using Metal-Semiconductor Hybrid Resonators
Autores: Chloe F. Doiron, Gururaj V. Naik
Revista: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201904154