Computação
Os Perovskitas Podem Ser a Chave para a Computação Fotônica?
De Solar a Fotônica
Perovskitas são um novo tipo de material cada vez mais investigado por seu potencial em energia solar. Cristais semicondutores podem ser ainda mais poderosos na conversão de luz em eletricidade do que os painéis solares tradicionais baseados em silício.
Fonte: iRocks
Esta é uma forma possível de melhorar a tecnologia dos painéis solares, que discutimos em “A Era Solar — Um Futuro Brilhante para a Humanidade”. Agora parece que os perovskitas podem possivelmente competir com o silício em outro campo: computação.
À medida que os processadores de silício tradicionais ficam cada vez menores, a indústria busca maneiras diferentes de realizar computação. Um método considerado é a fotônica, onde a luz, em vez da eletricidade, transporta os dados para executar o cálculo. Dessa forma, a computação pode ser feita à velocidade da luz, reduzindo a necessidade de tantos transistores como na computação eletrônica tradicional.
Para isso, o método proposto para construir sistemas de computação fotônica inclui manipulação de silício em escala nanométrica baseada em laser e sistemas aprimorados de conversão de luz em som.
A maior parte da tecnologia fotônica tem sido inicialmente focada em soluções baseadas em silício, pois este é, de longe, o material mais bem compreendido pela indústria de fabricação de chips.
Ainda assim, faz sentido que os perovskitas, um material conhecido por sua capacidade de lidar simultaneamente com luz e eletricidade, constituam uma ótima base para a computação fotônica.
Moldando Cristais de Perovskita à Vontade
Esse foi o raciocínio seguido por pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia em colaboração com outras instituições da Polônia, Itália, Islândia e Austrália. Para abrir caminho a mais avanços na fotônica baseada em perovskita, eles criaram um método de “cortar” cristais de perovskita com precisão. Detalharam seu método em um artigo intitulado “Guias de onda de cristal de perovskita pré-projetados para condensação de exciton–polariton em temperatura ambiente e emissão nas bordas”.
O material que usaram é um tipo de perovskita chamado CsPbBr3 (césio‑chumbo‑brometo). Ele tem grande potencial para aplicações ópticas, graças à baixa energia necessária para amplificação não linear da luz. Isso significa que esse material pode amplificar e modular a luz com muito baixo consumo de energia, uma das principais vantagens da fotônica sobre a eletrônica.
O método deles conseguiu criar cristais de CsPbBr3 em qualquer forma, desde cantos simples até curvas suaves. Algo normalmente muito difícil de alcançar em cristalografia.
Além disso, esses cristais podem ser produzidos em qualquer substrato, tornando-os compatíveis com dispositivos fotônicos preexistentes. Portanto, embora inovadores, não exigem o desenvolvimento de um campo totalmente novo de tecnologia fotônica para se tornarem úteis.
Como Eles Fizeram
Muitos dos métodos usados pelos pesquisadores para cultivar os cristais de perovskita são derivados de técnicas conhecidas pela indústria de semicondutores. Por exemplo, eles utilizam concentração de solução e temperaturas de crescimento rigorosamente controladas, mantendo uma atmosfera de vapores de solvente saturados.
Em seguida, usaram moldes de arseneto de gálio quase atomicamente lisos, fabricados com litografia de feixe de elétrons e gravação a plasma. O arseneto de gálio é um material bem conhecido, notavelmente usado na produção de luz LED.
Usando uma abordagem microfluídica, eles conseguiram cultivar o cristal em moldes de polímero estreitos que podem ser impressos com qualquer forma a partir de um molde.
O Que os Perovskitas Fotônicos Podem Fazer?
Controle de Energia Sobre a Luz
Os cristais também demonstraram fortes efeitos ópticos não lineares. A óptica não linear nos permite mudar a cor e a forma de um feixe de luz no espaço e no tempo e criar os eventos mais curtos já produzidos pelos humanos — todos fenômenos muito úteis para a computação fotônica.
Efeitos Quânticos
A luz emitida pelo cristal de perovskita é produzida por um estado muito especial da matéria chamado condensado de Bose‑Einstein.
Fonte: UCSB Physics Department
Este 5.º estado da matéria (além de sólido, gás, líquido e plasma) é onde muitos átomos podem se comportar como uma onda em vez de matéria ordinária. Nesse sentido, isso faz com que múltiplos átomos ajam como normalmente apenas partículas subatômicas podem, tornando os efeitos quânticos visíveis em escala quase macroscópica.
Esse estado dos cristais de perovskita criou um condensado de exciton‑polariton, um subtipo específico de condensado de Bose‑Einstein.
Portanto, os efeitos não lineares observados provavelmente estão ligados a interações dentro do condensado.
Graças às propriedades únicas das estruturas de perovskita, o condensado pode percorrer longas distâncias dentro dos cristais, e a luz emitida pode propagar‑se através de lacunas de ar para estruturas vizinhas.
Dr. Helgi Sigurðsson – Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia
Ser capaz de criar e manipular à vontade esses condensados de Bose‑Einstein dá aos cientistas a possibilidade de emitir e espalhar luz de maneira muito precisa.
Isso será realmente útil para desenvolver chips fotônicos confiáveis e de alto desempenho.
Simulações para Melhor Previsão
O artigo de pesquisa também explica como, graças a cálculos complexos, eles foram capazes de criar uma simulação de estruturas 3D de forma complexa, e seu impacto nos modos fotônicos, demonstrando como sua imagem se forma.
“A descoberta permite seu uso em sistemas compactos “on-chip” que podem lidar tanto com tarefas de computação clássica quanto quântica.
Prevemos que nossas descobertas abrirão caminho para dispositivos futuros que podem operar ao nível de fótons individuais, integrando nanolasers com guias de onda e outros elementos em um único chip.”
Prof. Michał Matuszewski – Centro de Física Teórica da Academia Polonesa de Ciências
Assim, trabalhos futuros poderão prever efeitos ópticos úteis para a fotônica e transmissão de dados sem sinais elétricos.
Aplicações Futuras
Computador Fotônico‑Quântico
Uma vantagem chave de usar essas descobertas em perovskitas é que esses cristais podem ser utilizados em temperatura ambiente.
Isso é muito importante, pois normalmente os efeitos dos condensados de Bose‑Einstein só são observáveis em temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. O que obviamente os torna muito menos práticos e úteis para qualquer computação “normal”.
Isso também poderia mesclar a fronteira entre computação quântica e fotônica, com futuros sistemas de computação possivelmente usando ambos simultaneamente.
Isso inclui conceitos muito avançados como fotônica não linear em guias de onda, acopladores, divisores e moduladores.
Computação de Silício‑Perovskitas
Outra qualidade desses novos cristais de perovskita afinados é sua compatibilidade com substratos de silício e arseneto de gálio. Assim, podem ser combinados facilmente com as tecnologias semicondutoras de silício e outros materiais já existentes.
Isso poderia reduzir significativamente a lacuna entre a tecnologia de computação atual e a adoção da fotônica, com a fotônica sendo desenvolvida e adotada primeiro para aplicações limitadas, em vez de exigir um tipo totalmente novo de conjunto tecnológico paralelo desde o início.
Investindo em Perovskita & Fotônica
Graças às aplicações pré‑existentes em energia solar e computação, perovskitas e fotônica já podem ser objeto de investimento, mesmo estando na vanguarda das ciências dos materiais e da inovação em computação.
Você pode investir em empresas de fotônica através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos EUA, Canadá, Austrália e Reino Unido, bem como em muitos outros países.
Se você não tem interesse em escolher empresas específicas de fotônica, também pode considerar ETFs como Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM) ou ProShares Nanotechnology ETF (TINY), que oferecem uma exposição mais diversificada para capitalizar na indústria fotônica.
Você também pode ler nosso artigo sobre os “Top 10 Empresas de Computação Não‑Silício”.
Empresas de Fotônica
1. JABIL
(JBL )
No final de 2023, a Intel decidiu desinvestir seu negócio de fotônica para a fabricante de semicondutores Jabil (JBL).
Mais precisamente, adquiriu a tecnologia de transceptores de fotônica de silício da Intel, que pode fechar a lacuna entre sinais ópticos e sinais eletrônicos no silício.
“Os módulos da Intel são usados para conectar switches Ethernet em grandes data centers, mas à medida que a demanda por largura de banda aumenta, a empresa espera que a fotônica de silício co‑embalada com ASICs de switch forneça a densidade de largura de banda necessária para escalar as redes de data centers do futuro.
A Jabil está extremamente bem posicionada para apoiar os clientes enquanto incorporam tecnologias inovadoras em seus data centers para lidar com os crescentes requisitos de energia e refrigeração impulsionados pela inteligência artificial.
Matt Crowley, vice‑presidente sênior de nuvem e infraestrutura empresarial da Jabil
Isso trouxe IP adicional para o departamento fotônico da empresa, que já está comercializando tecnologias baseadas em fotônica:
- Soluções de fixação de fibra: alinhamento ativo, alinhamento passivo, fibra única, matriz de fibras.
- Soluções de montagem: pick‑and‑place, ligação de chip (die bond), ligação de fios (wire bond), flip chip, reflow.
- Aplicação e gerenciamento de epóxi: seleção, caracterização, dispensação.
- Soluções de encapsulamento: caixa de ouro, dam‑and‑fill, glob‑top.
- Óptica de espaço livre: lentes/matrizes de lentes, modeladores de feixe, divisores, difusores, guias de onda.
A Jabil tem um negócio diversificado, com receitas de vários bilhões provenientes de fabricantes automotivos, saúde e embalagens, empresas industriais, 5G sem fio, etc. Totalizando US$ 27,5 bilhões de receitas em 2024.
A empresa poderia se beneficiar enormemente de uma tecnologia fotônica melhor, considerando seu papel pré‑existente na produção de divisores, modeladores etc. para matrizes de luz.
O IP da Intel também poderia ajudar a fechar a lacuna entre o silício e a luz emitida pelos cristais de perovskita.
À medida que a demanda por interconexão de chips cresce para aplicações de IA, isso pode ser o primeiro grande avanço da fotônica, com um papel na interface (ainda) da computação baseada em silício com redes ópticas baseadas em fotônica.
2. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
A Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26.000 funcionários e líder em tecnologia de laser, resultante da fusão da avançada material II‑VI Marlow com o fabricante de lasers Coherent.
A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio.
Cresceu significativamente graças a múltiplas aquisições ao longo da última década.
Fonte: Coherent
A empresa obtém 29 % de suas receitas de lasers, com o restante ligado a equipamentos associados como fibra óptica, eletrônica e instrumentação.
Fonte: Coherent
A presença da empresa em materiais avançados como termofotovoltaicos (que discutimos em um artigo anterior), carbeto de silício, lasers e eletrônicos ajuda-a a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.
A empresa recentemente separou seu negócio de carbeto de silício em uma nova entidade, de propriedade 75 % da Coherent, com o restante dividido igualmente entre seus parceiros Mitsubishi Electric (trazendo IP de potência de carbeto de silício) e Denso (trazendo sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).
