Imagine como funciona uma chamada telefônica: sua voz é convertida em sinais eletrônicos, deslocada para frequências mais altas, transmitida por longas distâncias e, então, deslocada de volta para baixo para que possa ser ouvida claramente do outro lado. O processo que permite essa mudança de frequências de sinal é chamado de mixagem de frequência, e é essencial para tecnologias de comunicação como rádio e Wi-Fi. Os mixers de frequência são componentes vitais em muitos dispositivos eletrônicos e normalmente operam usando frequências que oscilam bilhões (GHz, gigahertz) a trilhões (THz, terahertz) de vezes por segundo.

Agora imagine um misturador de frequência que funciona a um quatrilhão (PHz, petahertz) de vezes por segundo — até um milhão de vezes mais rápido. Essa faixa de frequência corresponde às oscilações dos campos elétrico e magnético que compõem as ondas de luz .

Os misturadores de frequência Petahertz nos permitiriam deslocar sinais para frequências ópticas e depois voltar para frequências eletrônicas mais convencionais, permitindo a transmissão e o processamento de quantidades muito maiores de informações em velocidades muitas vezes maiores. Esse salto na velocidade não é apenas sobre fazer as coisas mais rápido; é sobre habilitar capacidades inteiramente novas.

A eletrônica de ondas de luz (ou eletrônica petahertz) é um campo emergente que visa integrar sistemas ópticos e eletrônicos em velocidades incrivelmente altas, alavancando as oscilações ultrarrápidas dos campos de luz. A ideia-chave é aproveitar o campo elétrico das ondas de luz, que oscilam em escalas de tempo sub-femtossegundos (10 -15 segundos), para acionar diretamente os processos eletrônicos.

Isso permite o processamento e a manipulação de informações em velocidades muito além do que é possível com as tecnologias eletrônicas atuais. Em combinação com outros circuitos eletrônicos de petahertz, um mixer eletrônico de petahertz nos permitiria processar e analisar grandes quantidades de informações em tempo real e transferir grandes quantidades de dados pelo ar em velocidades sem precedentes.

A demonstração da equipe do MIT de um misturador eletrônico de ondas luminosas em frequências na escala de petahertz é um primeiro passo para tornar a tecnologia de comunicação mais rápida e avança a pesquisa em direção ao desenvolvimento de novos circuitos eletrônicos de ondas luminosas miniaturizados, capazes de manipular sinais ópticos diretamente na nanoescala.

Na década de 1970, cientistas começaram a explorar maneiras de estender a mistura de frequência eletrônica para a faixa de terahertz usando diodos. Embora esses esforços iniciais tenham se mostrado promissores, o progresso estagnou por décadas. Recentemente, no entanto, os avanços na nanotecnologia reacenderam essa área de pesquisa. Pesquisadores descobriram que estruturas minúsculas como pontas de agulhas em escala nanométrica e antenas plasmônicas poderiam funcionar de forma semelhante a esses primeiros diodos, mas em frequências muito mais altas.

Um estudo recente publicado na Science Advances por Matthew Yeung, Lu-Ting Chou, Marco Turchetti, Felix Ritzkowsky, Karl K. Berggren e Phillip D. Keathley no MIT demonstrou um avanço significativo. Eles desenvolveram um misturador de frequência eletrônico para detecção de sinal que opera além de 0,350 PHz usando pequenas nanoantenas. Essas nanoantenas podem misturar diferentes frequências de luz, permitindo a análise de sinais oscilando ordens de magnitude mais rápido do que o mais rápido acessível à eletrônica convencional.

Esses dispositivos eletrônicos de petahertz podem permitir desenvolvimentos que, em última análise, revolucionarão campos que exigem análises precisas de sinais ópticos extremamente rápidos, como espectroscopia e geração de imagens, onde capturar a dinâmica na escala de femtossegundos é crucial (um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo).

O estudo da equipe destaca o uso de redes de nanoantenas para criar um misturador de frequência óptica eletrônica on-chip de banda larga. Essa abordagem inovadora permite a leitura precisa de formas de onda ópticas abrangendo mais de uma oitava de largura de banda. É importante ressaltar que esse processo funcionou usando um laser comercial pronto para uso que pode ser comprado pronto, em vez de um laser altamente personalizado.

Embora a mistura de frequência óptica seja possível usando materiais não lineares, o processo é puramente óptico (ou seja, ele converte a entrada de luz em saída de luz em uma nova frequência). Além disso, os materiais precisam ter muitos comprimentos de onda de espessura, limitando o tamanho do dispositivo à escala micrométrica (um micrômetro é um milionésimo de um metro).

Em contraste, o método eletrônico de ondas de luz demonstrado pelos autores usa um mecanismo de tunelamento acionado por luz que oferece altas não linearidades para mistura de frequências e saída eletrônica direta usando dispositivos em escala nanométrica (um nanômetro é um bilionésimo de um metro).

Embora este estudo tenha se concentrado em caracterizar pulsos de luz de diferentes frequências, os pesquisadores imaginam que dispositivos semelhantes permitirão construir circuitos usando ondas de luz. Este dispositivo, com larguras de banda abrangendo várias oitavas, pode fornecer novas maneiras de investigar interações ultrarrápidas de luz-matéria, acelerando avanços em tecnologias de fontes ultrarrápidas.

Este trabalho não apenas expande os limites do que é possível no processamento de sinais ópticos, mas também preenche a lacuna entre os campos da eletrônica e da óptica. Ao conectar essas duas áreas importantes de pesquisa, este estudo abre caminho para novas tecnologias e aplicações em campos como espectroscopia, geração de imagens e comunicações, avançando, em última análise, nossa capacidade de explorar e manipular a dinâmica ultrarrápida da luz.