Inventada a menor maneira conhecida de guiar a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/08/2023

É um circuito fotônico 2D, tão pequeno que parte do fóton viaja pelo lado de fora.
[Imagem: Myungjae Lee et al. - 10.1126/science.adi2322]

Como guiar a luz

Direcionar a luz de um lugar para outro é a espinha dorsal do nosso mundo moderno.

Em macroescala, fazemos isto usando fibras ópticas, desde a conexão entre equipamentos nas centrais de dados até os enormes cabos transoceânicos, que levam as conexões de internet de um continente a outro.

Em micro e nano-escalas, dentro dos chips, fazemos isto usando guias de ondas, que podem tanto transportar feixes de luz comuns quanto ondas de quasipartículas, como os plásmons de superfície, que são ondas de elétrons que surgem em superfícies metálicas quando elas são atingidas pela luz. É isto que permite enfiar a luz em locais muito menores do que o seu próprio comprimento de onda.

Agora, cientistas da Universidade de Chicago, nos EUA, criaram uma nova forma de guiar a luz em nanoescala, um material com poucos átomos de espessura depositado dentro de um cristal de vidro, levando a miniaturização da luz ao extremo, muito abaixo do limite de difração.

Jiwoong Park e seus colegas descobriram que uma folha desse material consegue aprisionar e transportar a luz. Além disso, ele é surpreendentemente eficiente, fazendo a luz percorrer distâncias longas - até um centímetro, o que é muito longe no mundo da computação baseada na luz.

"Ficamos totalmente surpresos com o quão poderoso é esse cristal superfino; ele não apenas pode reter energia, mas também distribuí-la mil vezes mais do que qualquer um já viu em sistemas semelhantes," disse Park. "A luz aprisionada também se comportou como se estivesse viajando em um espaço 2D."

A inovação representa a miniaturização extrema dos circuitos de luz.
[Imagem: Myungjae Lee et al. - 10.1126/science.adi2322]

Circuito fotônico 2D

O novo dispositivo pode ser enquadrado na categoria dos guias de onda, mas com a vantagem de ser basicamente 2D - é um circuito fotônico 2D.

Já existem inúmeros circuitos fotônicos, mas eles são muito maiores e tridimensionais. Nesses guias de ondas convencionais, as partículas de luz, os fótons, sempre viajam dentro do guia de ondas.

Nesse guia de ondas 2D, o material monoatômico - os cientistas se referem a ele também como um cristal - é na verdade mais fino do que o próprio fóton, de modo que parte do fóton se projeta para fora do cristal enquanto viaja.

É um pouco como a diferença entre construir um tubo para enviar malas pelo aeroporto ou colocá-las em cima de uma esteira rolante. Com uma correia transportadora, as malas ficam abertas para o ar e você pode vê-las e ajustá-las facilmente no caminho. Essa abordagem torna muito mais fácil construir componentes fotônicos integrados com os cristais, uma vez que a luz pode ser facilmente movida com lentes ou prismas.

Não estando enclausurados, os fótons também podem obter informações sobre as condições ao longo do caminho, permitindo usar esses guias de onda para fazer sensores no nível microscópico. "Por exemplo, digamos que você tenha uma amostra de líquido e queira detectar se uma determinada molécula está presente," explicou Park. "Você pode projetar para que este guia de ondas viaje através da amostra, e a presença dessa molécula mudaria o comportamento da luz."

O cristal monoatômico usado nestes experimentos foi o dissulfeto de molibdênio (MoS₂), mas os princípios devem funcionar para outros materiais - é mais comum ouvir referência a eles como molibdenita ou dicalcogenetos de metais de transição, uma família de materiais com propriedades ópticas, eletrônicas e mecânicas de grande interesse tecnológico.

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