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Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade Estadual de Montana apresentaram um interruptor totalmente óptico feito com MoSe₂ e nanocavidade fotônica, capaz de controlar luz com energia próxima de 4 femtojoules e operar em escala de poucos picossegundos, abrindo caminho para chips fotônicos voltados à IA, computação neuromórfica e tecnologias quânticas.
Um interruptor controlado por luz atingiu comutação totalmente óptica usando cerca de 4 femtojoules de energia, avanço descrito em 2026 na Physical Review Letters por pesquisadores da Pensilvânia e de Montana para futuros chips fotônicos de IA.
Interruptor usa luz para controlar luz
A proposta busca enfrentar um obstáculo central da computação totalmente óptica: fazer fótons interagirem entre si. Em sistemas eletrônicos, operações lógicas dependem do movimento de elétrons. Em dispositivos fotônicos, o objetivo é processar informação usando luz.
Esse caminho interessa porque a luz pode viajar mais rapidamente e gerar menos calor do que elétrons em movimento. Ainda assim, fótons normalmente não interagem, o que dificulta construir componentes capazes de alternar sinais luminosos com baixo consumo.
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O grupo trabalhou com um sistema baseado em disseleneto de molibdênio, ou MoSe₂, um semicondutor 2D formado por uma única camada. O material foi combinado a uma nanocavidade de cristal fotônico, estrutura projetada para confinar luz em escala extremamente pequena.
Como o MoSe₂ cria interações entre fótons
O funcionamento depende dos éxciton-polaritons, quasipartículas híbridas formadas quando fótons se acoplam a éxcitons, pares ligados de elétrons e buracos dentro do semicondutor. Esse estado combina propriedades da luz e da matéria.
Por sua parte luminosa, os polaritons podem se propagar em alta velocidade. Pela parte material, herdada dos éxcitons, passam a apresentar interações que permitem alterar o comportamento óptico do sistema com pouca energia.
A nanocavidade atua como uma armadilha precisa para a luz. Ao confinar os polaritons em uma região de subcomprimento de onda, ela aumenta a força de interação entre as partículas e amplia as respostas ópticas não lineares.
No estudo, a monocamada de MoSe₂ ajustável por carga foi acoplada a uma nanocavidade planar de cristal fotônico. A ressonância excitônica do material favoreceu a hibridização robusta entre éxcitons e fótons.
Resultado pode ajudar chips fotônicos de IA
O experimento demonstrou comutação totalmente óptica do espectro da cavidade com energias de excitação tão baixas quanto aproximadamente 4 femtojoules. O artigo afirma que esse valor fica várias ordens de magnitude abaixo de limites relatados antes em sistemas 2D de éxciton-polaritons.
A análise por espectroscopia pump-probe indicou operação em escala ultrarrápida, de poucos picossegundos. Esse tempo reforça o potencial do interruptor para plataformas fotônicas integradas que exigem resposta rápida e baixa energia.
Li He, professor assistente da Universidade Estadual de Montana e autor sênior do estudo, afirmou à Tech Xplore que a motivação era avançar a computação totalmente óptica, área que busca processar informação com luz, não eletricidade.
Plataforma foi pensada para integração em larga escala
Além do desempenho, os pesquisadores destacam a possibilidade de produção em massa. A plataforma usa materiais e estruturas que podem ser padronizados por técnicas de fabricação padrão, o que favorece integração em circuitos fotônicos maiores.
Essa abordagem pode abrir espaço para chips com milhares de componentes ópticos interativos. Entre as aplicações citadas estão computação neuromórfica totalmente óptica, processamento de informação fotônica quântica e hardware de alta velocidade para modelos de inteligência artificial.
O limite de 4 femtojoules ainda não representa uma barreira física fundamental. A equipe afirma ter caminhos para reduzir esse patamar em ordens de magnitude e explorar o regime quântico, onde um único fóton poderia controlar outro.
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