A13 Eletrônica Quântica, Fotônica e MEMS

Tópico

Na fronteira entre a eletrônica convencional e a física quântica, surgem dispositivos cujo funcionamento depende diretamente de fenômenos quânticos. LEDs e lasers semicondutores emitem partículas de luz quando um elétron e um buraco se recombinam dentro do material — a mesma recombinação descrita pelo modelo da física de semicondutores — e a energia, e portanto a cor, dessa luz emitida depende diretamente da mesma banda proibida estabelecida por esse modelo. Materiais diferentes permitem que essa mesma família de dispositivos cubra o espectro do ultravioleta ao infravermelho. A eficiência quântica mede qual fração dos elétrons injetados é realmente convertida em fótons que conseguem escapar do dispositivo, e é um dos parâmetros-chave que distingue um LED de alta qualidade de um medíocre.

Sistemas microeletromecânicos (MEMS) integram, no mesmo chip que a eletrônica de controle, estruturas mecânicas microscópicas — vigas, membranas, massas suspensas — capazes de vibrar ou se mover. O acelerômetro integrado em qualquer smartphone, por exemplo, é essencialmente uma massa suspensa microscópica cuja frequência de vibração natural muda de forma mensurável quando o dispositivo acelera.

O efeito de tunelamento quântico, pelo qual uma partícula tem uma probabilidade não nula de atravessar uma barreira de energia que, segundo a física clássica, deveria ser intransponível, é a base tanto de certos instrumentos de microscopia de ultra-alta resolução quanto dos processadores quânticos atuais. Seus elementos básicos — os qubits supercondutores — devem operar a temperaturas extraordinariamente próximas do zero absoluto para que o mesmo ruído térmico descrito pelo modelo de ruído eletrônico não destrua o delicado estado quântico que eles mantêm.

Portanto, este módulo, que começa na fronteira entre a eletrônica convencional e a física quântica, conclui mostrando que essa fronteira não é abstrata: ela é, concretamente, a temperatura na qual o ruído térmico comum deixa de ser um incômodo controlável e começa a destruir completamente o fenômeno quântico que um dispositivo precisa preservar para funcionar.

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