Cientistas do MIT desenvolveram um sistema baseado em chip para geração de ondas terahertz, permitindo maior potência de radiação sem a necessidade de lentes de silício volumosas.
Essa inovação pode viabilizar a criação de dispositivos mais compactos e eficientes para diversas aplicações, como scanners de segurança avançados, sensores ambientais e sistemas de comunicação ultrarrápida. O estudo será apresentado na IEEE International Solid-State Circuits Conference e foi publicado pelo MIT News em 20 de fevereiro de 2025.
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Desafios da geração de ondas terahertz
As ondas terahertz, que ocupam o espectro entre as ondas de rádio e a luz infravermelha, possuem alta frequência e podem transmitir mais informações por segundo do que as ondas de rádio, além de serem capazes de atravessar materiais que a luz infravermelha não consegue penetrar. No entanto, integrá-las a dispositivos eletrônicos ainda é um grande desafio.
Até agora, a maioria das abordagens utilizava chips semicondutores com amplificadores e multiplicadores de frequência, que aumentam a frequência das ondas de rádio até atingir a faixa terahertz.
No entanto, grande parte da potência dessas ondas se perde devido à alta constante dielétrica do silício, que causa forte reflexão na fronteira entre o chip e o ar. Como solução, os cientistas geralmente recorrem a lentes de silício volumosas para aumentar a potência do sinal, o que dificulta a miniaturização dos dispositivos.
A solução do MIT
Para resolver esse problema, os pesquisadores do MIT adotaram uma abordagem diferente. Eles desenvolveram um sistema de matching baseado na teoria eletromecânica, buscando equilibrar as constantes dielétricas do silício e do ar. Para isso, fixaram uma fina camada de material na parte traseira do chip, com uma constante dielétrica intermediária entre as dos dois meios, permitindo que as ondas se propaguem de forma mais eficiente.
Esse material de baixo custo foi ainda mais otimizado com microfuros feitos a laser, reduzindo sua constante dielétrica para um valor ideal. Combinado ao uso de transistores de alta potência desenvolvidos pela Intel, o sistema conseguiu emitir ondas terahertz com uma potência de pico de 11,1 dBm – um avanço significativo em relação às abordagens anteriores.
“Para que uma fonte de ondas terahertz seja realmente útil, ela precisa ser escalável. Esse novo design permite a criação de matrizes de chips densamente compactadas, sem a necessidade de lentes de silício, o que viabiliza aplicações de grande escala”, explicou Jinchen Wang, doutorando do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e autor principal do estudo.
Impacto e aplicações futuras
Com a possibilidade de fabricar esses chips em larga escala, a tecnologia poderá ser utilizada em diversas áreas. Algumas das aplicações incluem:
- Sistemas de comunicação avançados: as ondas terahertz podem permitir transmissão de dados em altíssima velocidade, possibilitando redes sem fio mais eficientes.
- Sensores ambientais: dispositivos compactos poderão detectar poluentes no ar com maior precisão.
- Segurança e inspeção: scanners mais avançados poderão identificar objetos ocultos com maior clareza, tornando aeroportos e outras áreas de alto risco mais seguras.
- Medicina: imagens médicas em alta resolução poderão se beneficiar da capacidade das ondas terahertz de penetrar materiais biológicos sem causar danos aos tecidos.
Para o futuro, os pesquisadores planejam desenvolver uma matriz de fontes terahertz baseadas em CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), capaz de direcionar e focar feixes de ondas de forma mais eficiente. Além disso, estão explorando maneiras de aprimorar ainda mais a escalabilidade da fabricação desse novo tipo de chip.
O estudo contou com o apoio da NASA, do Jet Propulsion Laboratory, do Strategic University Research Partnerships Program e do MIT Center for Integrated Circuits and Systems. A fabricação dos chips foi realizada por meio do Intel University Shuttle Program.
Essa inovação representa um passo importante para tornar as ondas terahertz mais acessíveis e viáveis para uso em dispositivos eletrônicos comuns, abrindo novas possibilidades para tecnologias que exigem transmissão ultrarrápida e detecção precisa.
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