Cientistas criam fonte de luz não-linear

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/09/2011

O aparelho tem dois eletrodos de ouro separados por uma fenda preenchida com um material não-linear. As ranhuras dirigem as ondas plasmônicas em direção à fenda, amplificando a luz em 80 vezes.
[Imagem: Mark Brongersma]

Cientistas criaram uma fonte de luz não-linear, um avanço importante na tecnologia dos raios laser e, no futuro, das telecomunicações.

A fonte de luz é amplificada por plásmons de superfície, ondas de elétrons que navegam na superfície dos metais, o que permite o controle do dispositivo óptico de forma totalmente eletrônica.

Segunda harmônica

Quando você dispara um feixe de luz sobre eles, determinados cristais produzem uma luz de cor diferente.

Na verdade, ele produz luz com uma cor exatamente com o dobro da frequência da luz original - um fenômeno chamado geração de segunda harmônica.

Mas esse processo não é fácil de implementar: a caneta laser usada pelos professores, por exemplo, gera primeiro um raio infravermelho, que é processado por um cristal, várias lentes e outros elementos ópticos, até sair na forma de um belo feixe esverdeado.

Outra forma de fazer isto é aplicando uma corrente elétrica sobre o cristal, um fenômeno conhecido como EFISH (electric-field-induced second harmonic light generation: geração de segunda harmônica induzida por um campo elétrico).

Mas a luz gerada é fraca, o dispositivo é grande e exige milhares de volts para funcionar.

Óptica e elétrica

Agora, Mark Brongersma e seus colegas da Universidade de Stanford miniaturizaram o EFISH ao extremo, levando-o até a nanoescala.

O resultado é uma fonte de luz que tem funções tanto ópticas quanto elétricas, o que é altamente promissor para as telecomunicações e até para os processadores fotônicos do futuro.

"A maior parte das informações e das interações sociais que enviamos através de nossos centros de dados são processados, guardados e transmitidos como energia elétrica - zeros e uns," diz Brongersma.

"Os zeros e uns são apenas um interruptor, um é ligado, zero é desligado," prossegue ele. "Como o transporte óptico de informações, mais eficiente em termos energéticos, está rapidamente ganhando em importância, não é difícil ver por que os dispositivos capazes de converter sinais elétricos em ópticos podem ter tanto valor."

Esquema mostrando o funcionamento dual - óptico e elétrico - do dispositivo em nanoescala, uma dimensão adequada para a inserção no interior de um chip.
[Imagem: Mark Brongersma]

Interação luz-matéria

O dispositivo é baseado nas forças físicas que mantêm os elétrons em órbita de seus núcleos.

Quando um raio de luz atinge um átomo, a energia adicionada puxa o elétron para mais longe do núcleo de forma muito previsível - de forma linear.

Isto significa que, quando a luz a desligada, o elétron pula de volta para sua órbita original, liberando uma energia que é a mesma da luz que o deslocou.

Mas esta é apenas uma regra geral - seria mais preciso afirmar que "quase sempre" isso ocorre.

A coisa é diferente, por exemplo, quando a fonte de luz é um laser de alta intensidade incidindo sobre um sólido. Neste caso, os elétrons das camadas mais externas oscilam de forma menos linear.

"Em outras palavras, a interação luz-matéria se torna não-linear," explica Alok Vasudev, coautor do trabalho. "A luz que você obtém é diferente da luz que você coloca. Dispare um forte laser na faixa do infravermelho próximo sobre o cristal e você terá luz verde com exatamente o dobro da frequência."

80 vezes mais forte

E tudo em um aparato simples, de estado sólido e sem a necessidade de lentes.

As dimensões em nanoescala o tornam perfeito para a transmissão de dados no interior de um chip.

O ganho de potência em relação ao EFISH original foi possível graças à plasmônica, a manipulação das ondas superficiais de elétrons, o que pode ser feito com a gravação de padrões precisos na superfície do metal.

O resultado é uma luz 80 vezes mais forte do que o já muito forte feixe de laser que começa todo o processo.

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