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Um estudo realizado por uma equipe de pesquisa do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2), do Centro de Ciência do Grafeno da Universidade de Exeter e da TU Eindhoven demonstra que os materiais à base de grafeno podem ser usado para converter com eficiência sinais de alta frequência em luz visível, e que esse mecanismo é ultrarrápido e sintonizável, conforme a equipe apresenta suas descobertas em Nano Letras. Esses resultados abrem o caminho para aplicações empolgantes em tecnologias de informação e comunicação em um futuro próximo.
A capacidade de converter sinais de um regime de frequência para outro é fundamental para várias tecnologias, em particular nas telecomunicações, onde, por exemplo, os dados processados por dispositivos eletrônicos são frequentemente transmitidos como sinais ópticos através de fibras de vidro. Para permitir taxas de transmissão de dados significativamente mais altas, os futuros sistemas de comunicação sem fio 6G precisarão estender a frequência da operadora acima de 100 gigahertz até a faixa de terahertz. As ondas Terahertz são uma parte do espectro eletromagnético que se situa entre as micro-ondas e a luz infravermelha. No entanto, as ondas terahertz só podem ser usadas para transportar dados sem fio em distâncias muito limitadas. “Portanto, será necessário um mecanismo rápido e controlável para converter ondas de terahertz em luz visível ou infravermelha, que pode ser transportada por meio de fibras ópticas. As tecnologias de imagem e detecção também podem se beneficiar de tal mecanismo”, diz o Dr. Igor Ilyakov, do Instituto de Física da Radiação em HZDR.
O que falta até agora é um material que seja capaz de converter as energias dos fótons por um fator de cerca de 1000. A equipe identificou apenas recentemente a forte resposta não linear dos chamados materiais quânticos de Dirac, por exemplo, grafeno e isoladores topológicos, a pulsos de luz terahertz . “Isso se manifesta na geração altamente eficiente de altos harmônicos, ou seja, luz com um múltiplo da frequência original do laser. Esses harmônicos ainda estão dentro da faixa de terahertz, no entanto, também houve as primeiras observações da emissão de luz visível do grafeno no infravermelho e excitação terahertz”, lembra o Dr. Sergey Kovalev do Instituto de Física da Radiação em HZDR. “Até agora, esse efeito tem sido extremamente ineficiente e o mecanismo físico subjacente desconhecido”.
O mecanismo por trás
Os novos resultados fornecem uma explicação física para esse mecanismo e mostram como a emissão de luz pode ser fortemente aprimorada usando grafeno altamente dopado ou usando um metamaterial de grafeno grade – um material com uma estrutura personalizada caracterizada por propriedades ópticas, elétricas ou magnéticas especiais . A equipe também observou que a conversão ocorre muito rapidamente – na escala de tempo sub-nanossegundo, e que pode ser controlada por gating eletrostático.
“Atribuímos a conversão da frequência da luz no grafeno a um mecanismo de radiação térmica induzida por terahertz, ou seja, os portadores de carga absorvem energia eletromagnética do campo terahertz incidente. A energia absorvida se distribui rapidamente no material, levando ao aquecimento do portador; e por fim isso leva à emissão de fótons no espectro visível, bem como a luz emitida por qualquer objeto aquecido”, explica o Prof. Klaas-Jan Tielrooij do grupo ICN2’s Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems e da Eindhoven University of Technology.
A sintonização e velocidade da conversão de terahertz para luz visível alcançada em materiais à base de grafeno tem grande potencial para aplicação em tecnologias de informação e comunicação. O mecanismo termodinâmico ultrarrápido subjacente certamente poderia produzir um impacto nas interconexões de terahertz para telecomunicações, bem como em qualquer tecnologia que exija conversão de frequência ultrarrápida de sinais.
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