Modelagem aprimorada do efeito Pockels pode ajudar a avançar a tecnologia optoeletrônica #ÚltimasNotícias

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A utilização de sinais de luz para interligar componentes eletrônicos é fundamental nas tecnologias de comunicação atuais, oferecendo uma velocidade e eficiência únicas, apenas possíveis com dispositivos ópticos. Circuitos integrados fotônicos que utilizam fótons em vez de elétrons para codificar e transmitir dados são comuns em diversas tecnologias de computação. A maioria dos sistemas atuais baseia-se no silício, que, apesar de ser amplamente utilizado em circuitos eletrônicos, apresenta limitações em largura de banda.

Uma alternativa promissora é o titanato de bário tetragonal (BTO), uma perovskita ferroelétrica com características optoeletrônicas superiores, que pode ser cultivada sobre silício. Contudo, sendo um material relativamente novo na área de optoeletrônica, é vital aprofundar o entendimento de suas propriedades quânticas para seu aprimoramento.

Pesquisadores da Marvel divulgaram um estudo na Revisão Física B que apresenta um novo modelo computacional para simular o comportamento optoeletrônico do BTO e de outros materiais promissores.

Essa pesquisa é fruto da colaboração entre academia e setor privado. A startup suíça Lumiphase, especializada em dispositivos à base de BTO, buscou auxílio do laboratório de Mathieu Luisier do ETH Zurique, que trabalhou em conjunto com o grupo de Nicola Marzari da EPFL Lausanne para simular e otimizar o material.

Um dos principais desafios enfrentados pelos pesquisadores foi simular corretamente o efeito Pockels, que envolve a variação do índice de refração do material sob a influência de um campo elétrico.

Virginie de Mestral, primeira autora do estudo, explica: “Em um transceptor optoeletrônico, você constrói um interferômetro com dois braços: um passa a luz e o outro, que contém um filme fino de BTO, modula o índice de refração, alterando a fase da onda eletromagnética. Ao recombinar as ondas dos dois braços, criamos padrões de interferência que podem ser usados para codificar informações.”

Os métodos computacionais existentes para estudar o efeito Pockels são baseados na teoria de perturbação da funcional de densidade (DFPT), que examina a resposta de sistemas atômicos a perturbações externas. No entanto, determinar a função correta para calcular os efeitos Pockels no BTO é desafiador, limitando a precisão dos resultados.

Os autores propuseram um método que não dependesse de uma função específica, contando apenas com a teoria funcional da densidade padrão. Essa abordagem utilizou diferenças finitas, uma técnica numérica para resolver equações diferenciais, e a infraestrutura de código aberto da AIIDA foi crucial para automatizar os cálculos necessários.

Outro desafio superado envolveu a ocorrência de frequências imaginárias do fônon durante a simulação do BTO, indicando a instabilidade dinâmica do material simulado. Isso normalmente ocorre em materiais ferroelétricos que mudam de fase com a temperatura.

A solução foi a criação de uma supercélula, que possibilita uma representação mais precisa do cristal, resultando em frequências reais e positivas do fônon.

Os resultados foram validados em comparação com dados experimentais existentes e cálculos anteriores usando DFPT, mostrando resultados consistentes, embora não idênticos.

Um achado relevante do estudo é a relação entre a deslocação de titânio e o coeficiente Pockels do material, destacando que a miniaturização do dispositivo é vital para aplicações industriais.

O grupo pretende explorar como o efeito Pockels varia com a frequência do campo elétrico aplicado, uma área ainda inexplorada devido à complexidade envolvida em mover íons em vez de elétrons.