No interior da maioria dos equipamentos eletrônicos há minúsculos cristais de quartzo que, ao serem excitados por um sinal elétrico, produzem vibrações mecânicas que se acoplam a um campo elétrico. Dessa forma, fornecem a base de tempo para que os circuitos dos computadores, por exemplo, funcionem de maneira ordenada, de modo que suas operações sejam totalmente sincronizadas em grandes velocidades. Apesar de ser utilizado em larga escala há décadas, o material não atende todas as exigências da atual indústria de microeletrônica, que busca uma solução com menor custo e melhor desempenho.
Um pesquisador brasileiro, em parceria com cientistas dos Estados Unidos, desenvolveu um dispositivo que pode substituir os cristais de quartzo como “relógio interno” dos equipamentos eletrônicos. O estudo foi publicado e ganhou destaque na capa da primeira edição de dezembro da revista Physical Review Letters. O dispositivo é um micro-oscilador optomecânico feito de nitreto de silício – material compatível com a indústria de microeletrônica –, com diâmetro igual à metade de um fio de cabelo.
Oscilações mecânicas
No futuro, ele poderá ser integrado nos microchips dos computadores de forma monolítica, sem a necessidade de um coprocessamento, como ocorre atualmente com os cristais de quartzo. Para inserir esses cristais nos circuitos dos aparelhos microeletrônicos é preciso manipulá-los separadamente e soldá-los às placas dos equipamentos. Além disso, diferentemente dos cristais de quartzo, que se acoplam com um campo elétrico, o micro-oscilador se acopla com um campo óptico – o que abre a perspectiva para o uso da luz nos microchips dos computadores a fim de estabelecer comunicação óptica, como pretende fazer a indústria de microprocessadores.
“Há muito interesse em criar dispositivos que consigam transportar informação óptica em escala microscópica – a dos microchips –, a exemplo do que ocorreu nas últimas décadas com a evolução da internet, baseada no modelo de fibras ópticas, que permitem transmitir informação com uma enorme capacidade”, disse Gustavo Silva Wiederhecker, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e um dos autores da pesquisa, à agência Fapesp. “Ainda não se sabe, porém, quais seriam os dispositivos mais viáveis economicamente ou os que apresentam desempenho mais adequado para essa finalidade”, disse.
De acordo com o pesquisador, que realizou iniciação científica com bolsa da Fapesp, ao incidir luz sobre os micro-osciladores é possível induzir oscilações mecânicas que fazem com que a luz adquira uma modulação de amplitude com a mesma frequência das vibrações mecânicas do oscilador – do mesmo modo que os sinais elétricos nos sistemas baseados em cristais de quartzo.
Sincronicidade
Até então, contudo, não havia sido demonstrado se esses dispositivos são capazes de vibrar exatamente ao mesmo tempo, como dois pêndulos acoplados, quando se comunicam um com o outro por meio da luz. No experimento relatado no artigo, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez a possibilidade de dois micro-osciladores optomecânicos estabelecerem sincronismo por meio da luz. “Não se sabia se esses osciladores eram capazes de estabelecer sincronismo através de acoplamento óptico. A dinâmica deles poderia ser tão complexa que seria difícil de observar o sincronismo entre eles”, ressaltou Wiederhecker.
Presente em grande parte dos processos que ocorrem na natureza, como em colônias de insetos voadores e nos ciclos circadianos, regidos pelo dia e pela noite, o fenômeno do sincronismo foi observado em escala macroscópica pela primeira vez no século 17 por Christiaan Huygens (1629-1695), que inventou o relógio de pêndulo, utilizado na época para navegação.
O físico holandês observou que um conjunto de relógios sincronizados era menos suscetível a uma perturbação externa – como a vibração das ondas do mar, que podem tirar o relógio de fase – do que um relógio sozinho. Ao longo dos últimos anos, o fenômeno passou a despertar interesse tecnológico, uma vez que fornece a base para a temporização e o processamento de sinais de radiofrequência e pode permitir o desenvolvimento de novos conceitos de computação baseados em nanofotônica (transporte de informação óptica em escala nanométrica, de bilionésimo de metro). “O sincronismo em micro-osciladores vem chamando muita atenção nos últimos anos não só pelo potencial de aplicação tecnológica, como pelo tipo de física que eles mostram. E os micro-osciladores representam uma gota d’água em um mar de possibilidades apresentadas pela nanofotônica”, avaliou Wiederhecker.
Aumento da vibração
O estudo foi iniciado pelo pesquisador brasileiro e por cientistas da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, em 2008, quando Wiederhecker começou um pós-doutorado na universidade norte-americana, no grupo da professora Michal Lipson. Os primeiros resultados da pesquisa básica foram publicados na revista Nature e resultaram no depósito de uma patente.
Já em 2011, ao retornar ao Brasil, Wiederhecker continuou a fazer as simulações de sincronismo e as análises dos dados do estudo publicado na Physical Review Letters no Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CePof) da Unicamp – um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) da Fapesp. Agora, por meio do programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes da Fapesp, o pesquisador iniciou um projeto por meio do qual pretende começar a desenvolver esses micro-osciladores optoeletrônicos no Brasil e aumentar a escala de dispositivos em sincronismo e a frequência deles. Atualmente, os dispositivos vibram a uma frequência de 50 milhões de Hertz – equivalente a 50 milhões de oscilações por segundo –, que ainda está muito aquém da velocidade de 3 gigahertz (GHz) dos computadores de hoje.
Por meio de um estudo de mestrado, realizado com bolsa da Fapesp e orientado por Wiederhecker, o grupo da Unicamp em colaboração com colegas na Universidade Cornell pretendem chegar a frequências acima de, no mínimo, 1 GHz. “Para tornar mais iminente a aplicação tecnológica desses micro-osciladores ópticos é interessante que eles trabalhem em frequências mais altas”, disse Wiederhecker.
O artigo Synchronization of micromechanical oscillators using light(doi: 10.1103/PhysRevLett.109.233906), de Wiederhecker e outros, pode ser lido por assinantes da Physical Review Letters em prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i23/e233906.
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[Elton Alisson é repórter da Agência Fapesp]