Estudo com pesquisadores da UFC é publicado na revista Nature e revela possibilidade para criação de computadores fotônicos

Um estudo com participação de pesquisadores da Universidade Federal do Ceará (UFC) e liderado por universidades alemãs pode ser o pontapé inicial para criação dos computadores fotônicos, que utilizariam luz para processar dados e poderiam ser até milhares vezes mais velozes que as máquinas atuais. Os resultados inéditos do experimento foram publicados neste mês na renomada revista cientifica britânica Nature.

De acordo com o professor Eduardo Bedê Barros, chefe do Departamento de Física da UFC e um dos coordenadores da pesquisa, o estudo permitiu chegar a um novo sistema no qual a luz e os elétrons estão totalmente ligados, gerando uma espécie de "nova molécula".

"Não existe nenhum material, nenhum sistema no mundo que tenha esse nível de interação entre luz e matéria", destaca. Bedê é especializado no ramo dos nanomateriais, que lida com propriedades da matéria a partir de estruturas microscópicas.

Segundo ele, o artigo "Deep strong light-matter coupling in plasmonic nanoparticle crystals" ("Acoplamento profundo entre luz e matéria em cristais plasmônicos de nanopartículas", em português) foi resultado de um trabalho de dois anos, elaborado em conjunto com o seu ex-aluno de doutorado Bruno Gondim Vieira, e com grupos liderados pela professora Stephanie Reich, da Universidade Livre de Berlin, e pelo professor Florian Schulz, da Universidade de Hamburgo, ambas na Alemanha.

A situação encontrada pela pesquisa não era esperada inicialmente, conforme Bedê. "Começamos a pesquisar e a ver esses efeitos interessantes. Percebemos que nos deparamos com uma situação totalmente inusitada, algo que não havia sido medido antes", relata.

Para conseguir o efeito obtido, o material utilizado na pesquisa foi um cristal, uma estrutura periódica de nanopartículas de ouro. Nele foi observado um sistema no qual "não se pode falar da luz e dos elétrons de forma isolada". O professor compara a situação com o exemplo da água (H20), onde dois átomos de hidrogênio se unem a um de oxigênio para formar a molécula da água.

Semelhantemente, no experimento utilizado, as partículas de luz (fótons) se unem aos elétrons do ouro formando esse novo sistema. Em termos de aplicação prática, o material é revolucionário porque pode permitir, a princípio, a criação do computador fotônico, por exemplo.

Hoje, os computadores utilizam elétrons para fazer o processamento de dados. No entanto, essas partículas dissipam muita energia. Isso faz os computadores esquentarem e terem velocidade limitada pela massa do elétron.

No computado fotônico, esse problema seria resolvido com os dados sendo processados por meio da luz. "Com isso, se poderia ter computadores mais rápidos e mais eficientes", explica Bedê. A diferença entre as velocidades das duas máquinas pode ser de até milhares de vezes.

Para o doutor em Física Bruno Gondim, os resultados obtidos na pesquisa são motivo de satisfação. "É uma felicidade enorme! Saber que esse material está abrindo as portas para, no futuro, se ter um tipo de computação que pode nos levar a computadores ainda mais rápidos é bem gratificante", comenta.

Ele chegou a Berlim, na Alemanha, ainda em 2017, por meio de uma bolsa da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes). Na época, o projeto ainda estava no começo. "Eu fiquei encarregado de fazer a parte teórica do trabalho. Através de simulações computacionais, fiz então previsões do que deveria acontecer quando se iluminasse esse material com luz branca", detalha.

Segundo o pesquisador, apesar de retornado ao Brasil em 2018, a colaboração com o grupo de pesquisa de Berlim continuou mesmo a distância "e se revelou bastante frutífera".

Além do artigo na revista Nature, o estudo teve mais três artigos publicados em periódicos internacionais. O primeiro foi publicado na prestigiada ACS Photonics, em 2018. Outro foi veiculado no The Journal of Physical Chemistry C (JPCC), revista de alto impacto acadêmico, no ano passado.

Também em 2019, um artigo foi publicado no encontro da Faraday Discussions, um dos mais tradicionais eventos da Royal Society of Chemistry, em Londres, na Inglaterra.

Como se chegou ao resultado

O fenômeno obtido na pesquisa exige uma organização específica das partículas. Elas precisam estar entre 15, 30 e 90 nanômetros de tamanho. Para se ter uma ideia, um nanômetro equivale a um bilionésimo do metro.

Segundo o professor Eduardo Bedê, as nanopartículas ficam separadas uma das outras por uma molécula de polímero. "Muita gente tem tentado isso, mas poucas conseguiram fazer com esse nível de separação e organização", aponta.

Próximos passos

A pesquisa publicada na revista Nature está sendo submetida para a agência alemã de fomento à pesquisa DFG - German Research Foundation. O intuito é dar continuidade ao projeto, considerando dois caminhos possíveis, de acordo com Bedê.

O primeiro está relacionado à busca de novas estruturas a partir da combinação de diferentes partículas metálicas. Até agora, o estudo só compreende um material, com um tipo de partícula e forma de organização únicos. O aprofundamento nessa perspectiva pode inaugurar uma nova área de engenharia de materiais fotônicos.

Outra possibilidade diz respeito ao estudo de materiais bidimensionais formados a partir dessas estruturas. Isto é, substituir várias camadas de nanopartículas por apenas uma ou duas camadas. "O próximo passo é conhecer melhor as propriedades do sistema. Tem várias que ainda não conhecemos. Começamos a tatear isso agora", conclui.

Leia o estudo completo aqui