Material barato pode acelerar transmissão de dados por luz

O estudo sobre esse promissor caminho tecnológico, publicado na Nature Communications , foi realizado por pesquisadores do CNPEM (Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais) em parceria com colegas da Université de Lille (França) e de outras instituições do exterior. A faixa de terahertz corresponde a uma região de baixa energia do espectro eletromagnético, situada entre o infravermelho e as micro-ondas. Apesar disso, ela é considerada estratégica para o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de alta velocidade. “Hoje, Wi-Fi e 5G operam em frequências de poucos gigahertz (GHz, 10 9 hertz). Mas existe um interesse em avançar para centenas de gigahertz ou até terahertz (THz, 10 12 hertz), porque quanto maior a frequência, maior a largura de banda e a capacidade de transmissão de dados”, afirma Raul de Oliveira Freitas , responsável pela linha de luz “Imbuia” no LNLS-CNPEM (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron) e coordenador do estudo. O trabalho investigou como, a partir do iodeto de chumbo, um material barato, é possível produzir de forma muito simples um cristal em camadas de altíssima qualidade, capaz de atuar como guia de onda para radiação nessa faixa de frequências. A plataforma poderá funcionar como: ressonador, estrutura que confina a luz e seleciona frequências específicas, amplificando certos modos de oscilação; divisor de feixe, dispositivo que separa um feixe de luz em dois ou mais caminhos, permitindo distribuir o sinal óptico; ou modulador, componente que altera propriedades da luz –como intensidade, fase ou frequência– para codificar informação. O aspecto mais inovador do trabalho está na capacidade de confinar a luz em volumes extremamente pequenos –muito menores do que seu comprimento de onda. “Na faixa de terahertz, a luz tem comprimentos de onda de centenas de micrômetros. O que a gente faz é confinar essa luz em regiões submicrométricas” , diz Freitas. Esse efeito é possível graças à formação de fônon-poláritons, quase-partículas híbridas que combinam vibrações dos átomos da rede cristalina (fônons) com luz. “É como se o fônon se vestisse de luz, formando uma quase-partícula com propriedades únicas. As características de propagação e interação com a matéria dessas quase-partículas são diferentes tanto da luz isolada quanto dos fônons isolados” , afirma o pesquisador. O confinamento extremo da luz implica operar além do chamado limite de difração, que restringe a resolução de sistemas ópticos convencionais. “Na óptica clássica, não é possível observar ou manipular estruturas muito menores do que o comprimento de onda da luz. Com os poláritons, conseguimos ultrapassar esse limite” , diz Freitas. Para isso, os pesquisadores utilizaram microscopia de varredura óptica de campo próximo do tipo espalhamento (s-SNOM), técnica que emprega pontas metálicas nanométricas para a compressão extrema de campo eletromagnético. “A ponta funciona como uma antena e assim promove um hotspot de campo elétrico com dimensões da ordem de dezenas de nanômetros, independentemente do comprimento de onda original. Isso permite reduzir drasticamente a escala espacial da luz. Além disso, a densidade de campo elétrico em sondas s-SNOM é até 10 5 vezes maior que em ondas livres, explicando a superioridade da técnica para pesquisas em nanofotônica. Conseguimos confinar uma onda de 200 micrômetros em um volume de dimensões menores que 50 nanômetros” , afirma Freitas. Outro resultado central do estudo foi o alto fator de qualidade dos fônon-poláritons no PbI 2 . Trata-se de uma medida de quanto tempo a oscilação se mantém antes de se dissipar. “Quanto mais tempo o sistema oscila, maior é o fator de qualidade. O PbI 2 apresentou desempenho comparável ao do nitreto de boro hexagonal [hBN], que é o material de referência na faixa de infravermelho” , diz Freitas. SUBSTITUTO SIMPLES E SUSTENTÁVEL Ao contrário do iodeto de chumbo, o nitreto de boro hexagonal é um material muito difícil de sintetizar, exigindo condições extremas de pressão e temperatura. Mesmo após mais de duas décadas de pesquisas com o hBN, pouquíssimos grupos no mundo dominam a produção desse material com alta qualidade. Além disso, suas propriedades o tornam adequado ao infravermelho médio, mas não à faixa de terahertz. Já o iodeto de chumbo tem como precursores 2 elementos abundantes na natureza, e por isso baratos: o iodo e o chumbo. E pode ser cristalizado de forma extremamente simples. “Basta dissolver o sal em água até obter uma solução supersaturada e aquecê-la a cerca de 80 °C, algo que pode ser feito até em um fogão doméstico. Durante o resfriamento, o material cristaliza, formando estruturas que podem ser coletadas” , diz o pesquisador. A possibilidade de manipular a luz em escala nanométrica abre caminho para circuitos fotônicos integrados, capazes de substituir ou complementar circuitos eletrônicos. “Atualmente, o tráfego de informação dentro de dispositivos é feito por elétrons. Usar luz pode aumentar drasticamente a velocidade e reduzir perdas. É algo análogo ao que ocorreu no campo das telecomunicações. Antes, utilizávamos cabos elétricos; hoje, empregamos fibras ópticas, que permitem velocidades muito maiores. O mesmo princípio pode ser levado para dentro dos chips. E, além da maior velocidade, há ganhos energéticos: a luz sofre muito menos perdas do que as correntes elétricas. Isso pode resultar em soluções mais eficientes e sustentáveis” , afirma Freitas. O iodeto de chumbo também é relevante em outra área estratégica: a das tecnologias baseadas em perovskitas. As perovskitas são materiais com estrutura cristalina específica, do tipo ABX 3 , onde A é um cátion maior (orgânico ou inorgânico), B é um cátion metálico menor e X é um ânion, geralmente um halogênio (como I−, Br− ou Cl−). Por sua alta eficiência na absorção e conversão da luz, essa classe de materiais é amplamente utilizada em células solares e dispositivos optoeletrônicos. Por isso, existe hoje em dia uma verdadeira explosão de pesquisas relacionadas com perovskitas. Como o PbI 2 é um precursor típico para a síntese de perovskitas, compreender suas propriedades pode ajudar a entender mecanismos de degradação das perovskitas –um tema que está fazendo muitos pesquisadores quebrarem a cabeça. Os desdobramentos do trabalho incluem a implantação de uma nova infraestrutura experimental no CNPEM. “Já operamos, no Sirius, uma estação de nanoespectroscopia no infravermelho, chamada Imbuia. Estamos estruturando agora a linha Tatu, dedicada ao terahertz. A nova linha permitirá explorar uma ampla classe de materiais com propriedades semelhantes às do iodeto de chumbo. Será uma instalação única no mundo, que permitirá estudar o comportamento desses materiais em várias frequências. O forte apoio da Fapesp está sendo fundamental para isso” , diz Freitas. Embora ainda em estágio de ciência fundamental, o estudo aponta para um amplo horizonte tecnológico relacionado à transmissão e eventualmente ao processamento de informação. “A expectativa da comunidade científica é fazer com que circuitos de luz estejam cada vez mais presentes nos dispositivos do cotidiano” , afirma Freitas. O estudo foi apoiado pela FAPESP por meio dos projetos 19/14017-9 , 22/14245-4 , 24/09159-7 e 23/09839-5 . O artigo High quality-factor terahertz phonon-polaritons in layered lead iodide pode ser lido em: nature.com/articles/s41467-026-69027-6 . Este texto foi publicado originalmente pela Agência Fapesp , em 8 de maio de 2026. 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