Uma busca de longa data por ciência e tecnologia tem sido desenvolver eletra´nicos e processamento de informações que operam perto das escalas de tempo mais rápidas permitidas pelas leis da natureza.

Uma maneira promissora de atingir esse objetivo envolve o uso de luz laser para guiar o movimento dos elanãtrons na matéria e, em seguida, usar esse controle para desenvolver elementos de circuitos eletra´nicos - um conceito conhecido como eletra´nica de ondas de luz.

Notavelmente, os lasers atualmente nos permitem gerar rajadas de eletricidade em escalas de tempo de femtosegundos osou seja, em um milionanãsimo de bilionanãsimo de segundo. No entanto, nossa capacidade de processar informações nessas escalas de tempo ultrarrápidas permaneceu indescrita­vel.

Agora, pesquisadores da Universidade de Rochester e da Friedrich-Alexander-Universita¤t Erlangen-Na¼rnberg (FAU) deram um passo decisivo nessa direção, demonstrando uma porta lógica oso bloco de construção da computação e do processamento de informações osque opera em escalas de tempo de femtosegundos. A faznha, relatada na revista  Nature , foi conseguida aproveitando e controlando independentemente, pela primeira vez, os portadores de carga reais e virtuais que compõem essas explosaµes ultrarrápidas de eletricidade.

Os avanços dos pesquisadores abriram as portas para o processamento de informações no limite de petahertz, onde um quatrilha£o de operações computacionais podem ser processadas por segundo. Isso équase um milha£o de vezes mais rápido do que os computadores atuais que operam com taxas de clock de gigahertz, onde 1 petahertz é1 milha£o de gigahertz.

"Este éum a³timo exemplo de como a ciência fundamental pode levar a novas tecnologias", diz Ignacio Franco, professor associado de química e física em Rochester que, em colaboração com o doutorando Antonio JoséGarza³n-Rama­rez '21 (Ph.D.) , realizaram os estudos teóricos que levaram a essa descoberta.

Nos últimos anos, os cientistas aprenderam a explorar pulsos de laser que duram alguns femtossegundos para gerar rajadas ultrarrápidas de correntes elanãtricas. Isso éfeito, por exemplo, iluminando minaºsculos fios a  base de grafeno que conectam dois metais dourados. O pulso de laser ultracurto coloca em movimento, ou "excita", os elanãtrons no grafeno e, mais importante, os envia em uma direção especa­fica - gerando assim uma corrente elanãtrica la­quida .

Os pulsos de laser podem produzir eletricidade muito mais rápido do que qualquer manãtodo tradicional ose o fazem na ausaªncia de tensão aplicada. Além disso, a direção e a magnitude da corrente podem ser controladas simplesmente variando a forma do pulso do laser (ou seja, alterando sua fase).

Os grupos de pesquisa de Franco e de Peter Hommelhoff da FAU trabalham hávários anos para transformar ondas de luz em pulsos de corrente ultrarra¡pidos.

Ao tentar reconciliar as medições experimentais em Erlangen com simulações computacionais em Rochester, a equipe teve uma conclusão: em junções ouro-grafeno-ouro, épossí­vel gerar dois sabores - "real" e "virtual" - daspartículas que carregam o cargas que compõem essas explosaµes de eletricidade.

Portadores de carga "reais" são elanãtrons excitados pela luz que permanecem em movimento direcional mesmo depois que o pulso do laser édesligado.

Portadores de carga "virtuais" são elanãtrons que são são colocados em movimento direcional la­quido enquanto o pulso de laser estãoligado. Como tal, eles são espanãcies indescrita­veis que são vivem transitoriamente durante a iluminação.

Como o grafeno estãoconectado ao ouro, os portadores de carga reais e virtuais são absorvidos pelo metal para produzir uma corrente la­quida.

Surpreendentemente, a equipe descobriu que, alterando a forma do pulso do laser, eles poderiam gerar correntes onde apenas os portadores de carga reais ou virtuais desempenham um papel. Em outras palavras, eles não apenas geraram dois tipos de correntes, mas também aprenderam a controla¡-los independentemente, uma descoberta que aumenta drasticamente os elementos de design na eletra´nica de ondas de luz.

Usando esse cena¡rio de controle aumentado, a equipe conseguiu demonstrar experimentalmente, pela primeira vez, portas lógicas que operam em uma escala de tempo de femtosegundos.

As portas lógicas são os blocos de construção ba¡sicos necessa¡rios para os ca¡lculos. Eles controlam como as informações recebidas, que assumem a forma de 0 ou 1 (conhecidas como bits), são processadas. As portas lógicas requerem dois sinais de entrada e produzem uma saa­da lógica.

No experimento dos pesquisadores, os sinais de entrada são a forma ou fase de dois pulsos de laser sincronizados, cada um escolhido para gerar apenas uma explosão de portadores de carga reais ou virtuais. Dependendo das fases do laser utilizadas, essas duas contribuições para as correntes podem se somar ou se cancelar. O sinal elanãtrico la­quido pode ser atribua­do a  informação lógica 0 ou 1, produzindo uma porta lógica ultrarrápida.

"Provavelmente levara¡ muito tempo atéque essa técnica possa ser usada em um chip de computador, mas pelo menos agora sabemos que a eletra´nica de ondas de luz épraticamente possí­vel", diz Tobias Boolakee, que liderou os esforços experimentais como Ph.D. estudante da FAU.

"Nossos resultados abrem caminho para eletra´nica ultrarrápida e processamento de informações", diz Garza³n-Rama­rez '21 (Ph.D.), agora pesquisador de pa³s-doutorado na Universidade McGill.

"O incra­vel dessa porta lógica", diz Franco, "éque as operações não são executadas em gigahertz, como em computadores comuns, mas em petahertz, que são um milha£o de vezes mais rápidos. Isso se deve aos pulsos de laser realmente curtos usados que ocorrem em um milionanãsimo de bilionanãsimo de segundo."

Essa nova tecnologia potencialmente transformadora surgiu de estudos fundamentais de como a carga pode ser conduzida em sistemas de nanoescala com lasers.

"Atravanãs da teoria fundamental e sua conexão com os experimentos, esclarecemos o papel dos portadores de carga virtuais e reais nas correntes induzidas por laser, e isso abriu caminho para a criação de portas lógicas ultrarrápidas", diz Franco.

O estudo representa mais de 15 anos de pesquisa de Franco. Em 2007, como Ph.D. estudante da Universidade de Toronto, ele desenvolveu um manãtodo para gerar correntes elanãtricas ultrarrápidas em fios moleculares expostos a pulsos de laser de femtossegundos. Essa proposta inicial foi posteriormente implementada experimentalmente em 2013 e o mecanismo detalhado por trás dos experimentos explicado pelo grupo Franco em um estudo de 2018. Desde então, houve o que Franco chama de crescimento experimental e tea³rico "explosivo" nessa área.

"Esta éuma área onde teoria e experimentos se desafiam e, ao fazaª-lo, revelam novas descobertas fundamentais e tecnologias promissoras", diz ele.