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Nanoantenas (TEL028)

As dimensões dos componentes integrados num chip estão se tornando cada vez menores. Com a aproximação dessas dimensões dos comprimentos de onda da luz infravermelha e mesmo visível, essas radiações podem ser tratadas de uma forma diferenciada: irradiadas e recebidas por antenas exatamente como as ondas eletromagnéticas de maior comprimento usadas em telecomunicações. Essa possibilidade abre campos inteiramente novos para a optoeletrônica.

 

 

O reduzido comprimento de onda das radiações infravermelha, visível e mesmo ultravioleta impede que elas recebam o mesmo tratamento que as ondas eletromagnéticas de maior comprimento usadas em telecomunicações.

Essas ondas são tratadas com "recursos ópticos" diferentes que incluem as lentas, espelhos e refletores parabólicos.

No entanto, a nanotecnologia, conseguindo levar os dispositivos integrados num chip às mesmas dimensões das ondas luminosas, abre a possibilidade dessas ondas serem tratadas da mesma forma que as ondas de maior comprimento.

Integrando antenas que tenham a mesma ordem de grandeza das ondas luminosas é possível fazer sua emissão ou recepção de forma eficiente, com concentração da energia na direção desejada e também com a sua polarização, sem a necessidade de filtros.

Conforme mostra a figura 1, é possível integrar antenas com barras de ouro de apenas alguns nanômetros de comprimento, as quais atuam como antenas, focalizando a radiação emitida sem a necessidade de lentes.

 

Integrando antenas com barras de ouro.
Integrando antenas com barras de ouro.

 

Essas antenas funcionam exatamente como uma antena convencional de rádio, concentrando sinais com a obtenção de um ganho em determinada direção.

A grande diferença é que elas podem trabalhar com luz infravermelha e visível consistindo portanto num meio ideal de se fazer o interfaceamento entre dispositivos ópticos e eletrônicos.

Os dispositivos desenvolvidos por cientistas da Universidade de Basel na Suíça consistem em tiras de ouro de apenas 45 nanômetros de largura e de 200 a 400 nanômetros de comprimento, tendo entre elas espaços de 20 nanômetros.

Essas antenas, conforme mostra a figura 2 fazem com a luz seja irradiada pela parte central sendo que as partes extremas da antena atuam como elementos focalizadores.

 

Antenas como elemento focalizador.
Antenas como elemento focalizador.

 

A grande vantagem dessas antenas é a sua resolução que chega a ser 50 vezes melhor do que uma lente comum.

Uma aplicação interessante disso é na microscopia convencional.

Uma lente comum não consegue focalizar um objeto que seja muito menor do que o comprimento da luz usada. Por exemplo, para a luz visível de 400 nanômetros a 800 nanômetros, o menor objeto focalizado tem 200 nanômetros.

Com as nanoantenas isso muda, pois sua resolução chega a permitir que objetos menores do que 5 nanômetros sejam resolvidos.

Antes, para a observação de objetos dessas dimensões era necessário usar radiações de menor comprimento de onda, como o caso do microscópio eletrônico ou de raios X, conforme mostra a figura 3.

Nessa foto damos uma idéia da complexidade de um microscópio eletrônico, que tem um custo muito elevado. Com as nanoantenas, microscópios ópticos simples teriam a mesma capacidade de ampliação.

 

 

Microscópio eletrônico.
Microscópio eletrônico.

 

O caráter ondulatório dos elétrons emitidos permite a observação de objetos muito pequenos, assim como o comprimento de onda dos raios X.

No entanto, essas radiações impedem a observação de amostras vivas, pois elas as matam.

Com a possibilidade de se usar luz visível para a observação de corpos dessas dimensões, um microscópio óptico comum traz para o campo de visão humano até mesmo moléculas maiores, como as que correspondem às proteínas.

Mas não é apenas na elaboração de microscópios e outros dispositivos ópticos que as nanoantenas encontram aplicação.

 

Aplicações

Atuando como receptores sintonizados (no comprimento de onda que devem receber) essas antenas podem ser usadas na elaboração de sensores extremamente sensíveis.

Esses sensores poderiam sintonizar uma radiação única numa faixa extremamente estreita, detectando, por exemplo, o espectro de emissão de uma única molécula numa estrutura viva.

Seria possível elaborar um sensor capaz de identificar um simples vírus pela radiação emitida ao ser excitado.

Na eletrônica, essas nanoantenas poderiam ser usadas na construção de LEDs e sensores usados em CDs, CD ROM, DVDs muito mais eficientes.

Não seria preciso usar comprimentos de ondas menores, como no caso em que se passa do infravermelho para o visível do CD-ROM para o DVD, de modo a se poder trabalhar com pits menores.

Pits até 50 vezes menores do que os atualmente usados poderiam ser detectados com o uso de dispositivos focalizados com nanoantenas, aumentando assim em 50 vezes a capacidade de armazenamento da mídia, conforme mostra a figura 4.

 

Aumentando o poder de armazenamento com nano-emissores e nano-receptores.
Aumentando o poder de armazenamento com nano-emissores e nano-receptores.

 

Tudo isso seria possível sem a necessidade de se trabalhar com a emissão de luz de menor comprimento de onda.

Ainda na eletrônica, essas antenas aumentariam a resolução dos dispositivos usados na litografia óptica, possibilitando a fabricação de estruturas semicondutoras em chips ainda menores.

Finalmente chegaríamos ao limite com a possibilidade e construir dispositivos capazes de emitir um único fóton.

Esses dispositivos poderiam ser usados em computadores seguros, permitindo um processo de criptografia praticamente indecifrável, já que não dependeria da geração de números aleatórios, como fazem os sistemas atuais.

Esses números (chaves) podem ser usados para decodificar a mensagem. Com emissores capazes de emitir um fóton isoladamente, a emissão seria totalmente segura, justamente devido a princípio da mecânica quântica que afirma que "um fóton não pode ser observado sem que ele seja alterado".

Em suma, se alguém tentar observar o fóton que transporta o bit de mensagem ele será alterado e isso será detectado.

 

Conclusão

As nanoantenas consistem um passo largo em direção à total integração dos dispositivos ópticos com os dispositivos eletrônicos.

Se bem que ainda seja cedo para prever que dispositivos serão fabricados e usados nos próximos anos usando essa tecnologia, as possibilidades que analisamos são fantásticas.

Segundo as previsões teremos ainda de esperar de 5 a 10 anos para que essas nanoantenas passem a incorporar algum dispositivo de uso prático.

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