Parece ficção científica: processadores sem transístor e energia solar sem Sol

Os diodos quânticos inauguram uma abordagem fundamentalmente diferente para a eletrônica, incluindo computadores que não precisam mais de transistores. [Imagem: Conley Lab] - Fonte aqui.

As fronteiras do conhecimento estão avançando rapidamente em todas as direções. O que é ficção científica hoje, pode ser conhecimento científico consolidado amanhã. Um exemplo: a Lei de Moore se mantém funcionando desde 1965 (ver artigo aqui) - figura abaixo.

Lei de Moore - artigo original reimpresso.

A Lei de Moore diz que a quantidade de transistores em uma pastilha de silício dobra a cada dois anos aproximadamente. Isso fez com que um computador de hoje seja muito mais potente que um "super"-computador dos anos 1960. E como um preço muito menor. A Lei de Moore é do tipo exponencial, um dia vai chegar ao limite e os computadores vão parar de evoluir. Ou não. Mudando a tecnologia e pensando em novos conceitos é possível que essa evolução virtualmente não tenha fim. Uma possível alternativa para manter a Lei de Moore funcionando: o diodo quântico.

Sobre o diodo quântico e um pouco de física quântica (original aqui).

Tunelamento quântico

Para as exigências dos usuários atuais, parece que a velocidade do silício não é mais suficiente.

É certo que o semicondutor viabilizou toda a atual era tecnológica, mas também é certo que a velocidade dos elétrons que se deslocam através do silício está se mostrando lenta demais.

Felizmente, a saída está ao alcance.

Em 2010, físicos construíram um componente eletrônico inusitado, um diodo quântico, que, como seu nome indica, funciona com base nas leis da mecânica quântica, e não nas regras da física clássica.

Além do silício: diodo quântico pode criar nova eletrônica

A grande vantagem é que, no componente quântico, os elétrons não têm que se mover através dos materiais - eles simplesmente tunelam, atravessando uma barreira eletricamente isolante e aparecendo quase que instantaneamente do outro lado.

Tunelamento é um efeito quântico que permite que uma partícula atravesse uma barreira física. Isso é possível porque os elétrons apresentam comportamento tanto de partícula quanto de onda - quando batem na barreira isolante, a função de onda não zera instantaneamente, durando um tempo suficiente para que o elétron apareça do outro lado.

O componente, uma pilha de materiais isolantes e condutores, que passou a ser conhecido como diodo metal-isolante-metal (MIM), foi construído por uma equipe da Universidade do Estado do Oregon, nos Estados Unidos.

Diodo quântico

Agora, a mesma equipe melhorou ainda mais o componente quântico, criando um diodo MIIM - metal-isolante-isolante-metal.

A adição de uma segunda camada de material isolante ativou um outro comportamento quântico, chamado "tunelamento de passo", uma situação na qual um elétron tunela através apenas de um dos isoladores, permitindo um controle preciso do diodo.

"Isso nos dá uma outra maneira para controlar o tunelamento quântico e nos leva mais perto das aplicações reais que deverão ser possíveis com essa tecnologia," disse John Conley, coordenador da equipe.

Energia solar sem Sol

Usando os diodos MIIM deverá ser possível construir equipamentos eletrônicos mais sofisticados, mais rápidos e com menor gasto de energia.

Isso inclui não apenas telas planas, celulares e televisores, mas também processadores de computador com velocidade extremamente alta.

Trata-se de uma abordagem fundamentalmente diferente para a eletrônica, uma vez que os circuitos não dependerão mais dos transistores.

Segundo Conley, também dá para pensar em um novo tipo de energia solar noturna, a colheita de energia infravermelha, uma forma de produzir energia a partir da Terra conforme ela esfria durante a noite.

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Artigo de referência: 

Step tunneling enhanced asymmetry in asymmetric electrode metal-insulator-insulator-metal tunnel diodes.

Nasir Alimardani, John F. Conley Jr.
Applied Physics Letters
Vol.: 102, 143501
DOI: 10.1063/1.4799964

Abstract:

The impact of nanolaminate insulator tunnel barriers on asymmetric metal workfunction metal-insulator-insulator-metal (MIIM) devices is investigated. We demonstrate experimentally that bilayer insulators introduce additional asymmetry and can be arranged to either enhance or oppose the asymmetry induced by the asymmetric workfunction electrodes. It is also shown that step tunneling can dominate the I-V asymmetry of M₁IIM₂ diodes. By combining bilayer tunnel barriers with the standard approach of asymmetric metal electrodes, we are able to achieve low voltage asymmetry and non-linearity exceeding both that of standard single layer asymmetric electrode metal-insulator-metal devices as well as symmetric electrode M₁I₁I₂M₁devices.