Brasileiros explicam interação entre luz e vibração mecânica

Com informações da Agência Fapesp - 11/01/2021

Além de poder revolucionar as telecomunicações, as microcavidades ópticas têm sido usadas para criar memórias RAM de luz, novos tipos de laser e componentes ópticos.
[Imagem: Thiago Alegre]

Microcavidades optomecânicas

As microcavidades optomecânicas são pequenos dispositivos que podem armazenar tanto a luz (fótons) quanto vibrações (fônons), o que as torna promissoras para uma série de aplicações tecnológicas.

Com dimensões inferiores a 10 micrômetros, essas microcavidades absorvem altíssimas intensidades de energia luminosa, que ficam circulando dentro delas - a luz fica "presa" - e interagem com ondas mecânicas de forma muito eficiente.

Isso possibilita seu uso como sensores de massa, sensores de aceleração e em espalhamento Raman (espalhamento da luz pela matéria), uma técnica que promete avanços em áreas como biomedicina, possibilitando o desenvolvimento de sensores para detectar moléculas marcadoras de câncer, por exemplo.

Para viabilizar essas aplicações, contudo, é preciso antes compreender em detalhes tudo o que acontece no interior das microcavidades optomecânicas, sobretudo como a luz e as vibrações interagem.

Pesquisadores da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) acabam de desvendar mais um desses detalhes.

Interação dispersiva e interação dissipativa

"O que acontece nesses sistemas são dois fenômenos interdependentes. Por um lado, a luz exerce pressão sobre a cavidade em que está confinada. Por outro, as vibrações mecânicas espalham essa luz. A interação entre os dois fenômenos pode se dar de duas formas distintas. Caso a luz espalhada permaneça no interior do dispositivo, temos a chamada interação dispersiva. Caso a luz escape para o exterior da cavidade, ocorre, então, a chamada interação dissipativa," explicou o professor Thiago Alegre.

Enquanto a interação dispersiva é bastante conhecida e constitui a base de avanços importantes no campo da optomecânica - como, por exemplo, no interferômetro LIGO, responsável pela detecção de ondas gravitacionais em 2016 -, a interação dissipativa tem sido apenas marginalmente explorada em experimentos.

Os pesquisadores brasileiros demonstraram agora que os dois fenômenos estão integrados, podendo ser explicados pela mesma teoria.

"Essa escassez de experimentos está fortemente relacionada à inexistência de uma base teórica que seja capaz de descrever o quão forte é a interação dissipativa para um dado dispositivo. A contribuição do nosso trabalho é exatamente uma formulação teórica que engloba ambas as interações, a dispersiva e a dissipativa," detalhou Thiago.

Esquema com nanopartícula de ouro (Au), acima de espelho metálico, mostrando a vibração molecular para a molécula orgânica BPT.
[Imagem: André Garcia Primo/Unicamp]

Teoria da perturbação

A equipe brasileira utilizou a chamada teoria da perturbação, na qual se assume que a interação optomecânica é razoavelmente fraca, de modo que, em uma primeira aproximação, torna-se possível tratar luz e vibração mecânica de maneira independente. Com o conhecimento dos comportamentos ópticos e mecânicos calculados individualmente, é possível descrever o acoplamento optomecânico de forma bastante simples.

"A novidade está no jeito como realizamos esse último passo. Essencialmente, ao contrário do que sempre foi feito, nós consideramos que o comportamento da luz no dispositivo é física e matematicamente afetado pela possibilidade de a luz fugir da cavidade. Ao levarmos isso em conta, percebemos que era possível descrever ambas as interações, dispersiva e dissipativa, com um alto grau de precisão," contou André Primo, principal autor do trabalho.

Os pesquisadores testaram sua teoria por meio de dois exemplos experimentais. Em uma cavidade optomecânica feita de silício, ambas as interações, dispersiva e dissipativa, mostraram-se relevantes para explicar os fenômenos observados.

O segundo exemplo utilizou nanocavidades optomecânicas plasmônicas feitas de ouro. Essas nanocavidades são capazes de confinar a luz em volumes muito menores do que as microcavidades, atuando essencialmente como nanolentes. É possível detectar o movimento mecânico de moléculas individuais que entrem em contato com esses dispositivos. "Com nossa teoria mostramos que, embora nunca tenha sido reportado, o espalhamento dissipativo de luz por moléculas é extremamente importante para os fenômenos optomecânicos nesses sistemas", comentou André.

Essa possibilidade possui uma ampla gama de aplicações, das quais se sobressai a detecção de compostos químicos em meios biológicos, visando a identificação de substâncias que podem, por exemplo, indicar condições patológicas.

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