José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Um cristal bidimensional lamelar – em camadas atomicamente finas – constituído por iodeto de chumbo (PbI₂) poderá ser utilizado na fabricação de uma nova geração de circuitos que utilizam luz e vibrações mecânicas – e não elétrons – para transmitir informações na faixa de frequências do terahertz.
O estudo sobre esse promissor caminho tecnológico, publicado na Nature Communications, foi realizado por pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) 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, 109 hertz). Mas existe um interesse em avançar para centenas de gigahertz ou até terahertz (THz, 1012 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 Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS-CNPEM) 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”, explica 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”, comenta 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”, conta 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 10⁵ 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”, informa Freitas.
Outro resultado central do estudo foi o alto fator de qualidade dos fônon-poláritons no PbI₂. 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 PbI₂ apresentou desempenho comparável ao do nitreto de boro hexagonal [hBN], que é o material de referência na faixa de infravermelho”, informa 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 dois 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”, argumenta 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 ABX₃, 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 PbI₂ 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”, sublinha 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”, resume 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.
