Colisão de lasers cria luzes de múltiplas cores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/04/2012

Recolisão elétron-lacuna: ondas vindas dos lasers - infravermelho próximo e terahertz - interagem com poços quânticos criados em um material semicondutor.
[Imagem: Peter Allen/UCSB]

Recolisão elétron-lacuna

Não faz muito tempo que os cientistas desvendaram a física dos arco-íris, ainda que eles já saibam até como aprisionar um arco-íris dentro de um cristal.

Mas Ben Zaks e seus colegas da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara fizeram mais: eles inventaram uma forma de produzir arco-íris.

Na verdade, embora a imagem seja válida e ilustrativa, eles fizeram bem mais do que isso: eles descobriram uma forma de gerar luz de múltiplas cores tirando proveito de um fenômeno físico que eles batizaram de recolisão elétron-lacuna.

"É um fenômeno extraordinário. Eu nunca havia visto nada parecido com isto antes," afirmou Mark Sherwin, coordenador da pesquisa, que prevê usos para a técnica nas comunicações ópticas.

Produzindo múltiplas cores

Quando disparado sobre um material semicondutor, a luz de um laser arrancou elétrons de seus núcleos atômicos, acelerou-os e os fez colidir com as lacunas deixadas para trás pelos próprios elétrons que estavam sendo arrancados.

Essa recolisão produziu múltiplas frequências de luz simultaneamente.

Misturar lasers para gerar uma ou duas novas cores é algo rotineiro. "Mas ver todas essas novas frequências, até 11 no nosso experimento, é um fenômeno notável. Cada frequência corresponde a uma cor diferente," completou Sherwin.

Múltiplas frequências na mesma fibra óptica

E para o que serve esse arco-íris sintético, além de mostrar que a ciência ainda preserva seu lado lúdico, para o deleite dos cientistas?

Em termos de aplicações, esse fenômeno da recolisão elétron-lacuna tem o potencial para aumentar muito a velocidade da transferência de dados por redes de fibras ópticas, através da multiplexação, a capacidade de enviar dados em múltiplos canais simultaneamente.

Ao criar novas cores de luz, com frequências muito precisas, perfeitamente separadas umas das outras, torna-se possível codificar dados em cada uma delas e enviar tudo pela mesma fibra óptica, seja em um mesmo sentido, seja em sentidos opostos.

Os pesquisadores usaram um gigantesco laser de elétrons livres para produzir as recolisões elétron-lacuna. Mas, em tese, um transístor pode ser usado em seu lugar para gerar campos fortes o bastante na frequência dos terahertz.

"Nós apenas colocamos [o semicondutor] na frente dos feixes de laser e medimos as cores de luz que estavam saindo. Agora que já observamos o fenômeno, podemos começar a fazer a parte mais difícil de colocar as peças juntas dentro de um chip," prevê Sherwin.

Gerando e destruindo excitons

Quando um feixe de luz de um laser de alta frequência atinge o material semicondutor - uma nanoestrutura feita com arseneto de gálio - ele cria um par elétron-lacuna chamado exciton.

O elétron tem carga negativa e a lacuna tem carga positiva, e essa atração natural faz com que eles se liguem para formar o exciton.

• Processador "excitônico" comunica-se diretamente por luz

O laser de elétrons livres, de elevada energia e baixa frequência, arranca o elétron da lacuna e o acelera. Conforme o campo de baixa frequência oscila, ele força o elétron a adernar de volta para a lacuna.

O elétron está então com excesso de energia porque foi acelerado.

Quando se choca novamente na lacuna, o par elétron-lacuna recombinado emite fótons em novas frequências, ou seja, com outras cores, determinadas pela estrutura do material semicondutor.

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