Switch à base de água supera os dispositivos semicondutores

Um interruptor à base de água controlado por laser que opera duas vezes mais rápido que os interruptores semicondutores existentes foi desenvolvido por um trio de físicos na Alemanha. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli na Ruhr University Bochum usou um pulso de laser ultracurto para criar um estado temporário semelhante a um metal em um jato de água líquida. Isso alterou a transmissão de pulsos de terahertz em escalas de tempo de apenas dezenas de femtossegundos.

Com os mais recentes switches baseados em semicondutores se aproximando dos limites superiores fundamentais de quão rápido eles podem operar, os pesquisadores estão em busca de maneiras mais rápidas de comutar sinais. Um lugar inesperado para procurar inspiração é o curioso comportamento da água sob condições extremas – como aquelas nas profundezas de planetas gigantes gelados ou criadas por poderosos lasers.

Simulações de dinâmica molecular sugerem que a água entra em estado metálico a pressões de 300 GPa e temperaturas de 7000 K. Embora tais condições não ocorram na Terra, é possível que este estado contribua para os campos magnéticos de Urano e Netuno. Para estudar esse efeito mais perto de casa, experimentos recentes usaram pulsos de laser ultracurtos e poderosos para desencadear a fotoionização em soluções à base de água – criando estados fugazes semelhantes a metais.

Jato líquido

No estudo, o trio em Bochum disparou pulsos de laser em uma solução de iodeto de sódio à base de água. A solução foi pulverizada a partir de um bico especializado, que achatou o jato de líquido em uma folha com mícron de espessura. Quando submetidos a um intenso pulso de laser óptico que durou 50 fs, os elétrons dos íons iodeto são excitados na banda de condução da água líquida. Esse pulso de “bomba” faz com que a água se comporte como um metal, pelo menos temporariamente.

A água prova estar eletricamente morta nas interfaces

Enquanto está neste estado metálico, as propriedades ópticas da água são temporariamente alteradas. Para detectar esta mudança, Buchmann, Hoberg e Novelli dispararam um pulso de “sonda” de radiação terahertz na água e mediram quanto do pulso da sonda foi transmitido através da água. Quando os pulsos da bomba e da sonda se sobrepuseram com atraso zero, eles descobriram que a transmissão caiu 20% em comparação com a transmissão na ausência de um pulso da bomba. Ao aumentar o atraso entre a bomba e a sonda, a equipe determinou que foram necessários apenas 70 fs para a água passar de um metal para o seu estado normal.

Os pulsos da sonda terahertz tinham cerca de 1 ps de duração, o que é significativamente mais longo que o pulso da bomba e o tempo de relaxamento da água. Isso permitiu que a equipe alterasse o formato dos pulsos de sonda transmitidos, mudando as frequências dos pulsos para valores mais altos. O trio diz que este efeito de mudança de frequência pode ter aplicações úteis em experimentos.

Olhando mais para o futuro, o trio espera que a sua investigação possa abrir caminho para um novo campo da “eletrónica da água”. Com tempo de comutação de apenas 70 fs, a água já é duas vezes mais rápida que os melhores comutadores semicondutores, que levam cerca de 150 fs para mudar de estado.

A pesquisa é descrita em Fotônica APL.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/water-based-switch-outpaces-semiconductor-devices/