É possível comprimir o calor a um décimo do seu tamanho

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/06/2024

Membranas especiais conseguem miniaturizar a luz infravermelha, reduzindo-a a um décimo do seu comprimento de onda.
[Imagem: Yin Liu/NC State University]

Comprimindo a luz infravermelha

Já existem várias técnicas para compactar a luz, comprimindo-a abaixo do limite de difração, e essa miniaturização da luz está permitindo deslanchar uma série de áreas, incluindo toda a tecnologia fotônica, os processadores de luz e, claro, a computação quântica.

Mas, até agora, ninguém havia conseguido "espremer" a luz infravermelha, o mecanismo pelo qual o calor é transferido de um objeto para outro à distância, sem a necessidade de contato, como ocorre na transferência de calor por condução ou por convecção.

Este feito coube a Ruijuan Xu e colegas da Universidade da Carolina do Norte, nos EUA, que criaram membranas ultrafinas, feitas de óxidos, que se mostraram capazes de comprimir a luz infravermelha em uma intensidade muito superior ao que se consegue usando cristais, que são a técnica básica para o confinamento da luz infravermelha, mas que não fazem um serviço bom o suficiente para efeitos práticos.

A inovação promete viabilizar toda uma nova geração de tecnologias de imagens infravermelhas - ou de visão noturna -, além de novas ferramentas para retirar o calor dos chips, por exemplo.

"Este trabalho estabelece uma nova classe de materiais ópticos para controlar a luz em comprimentos de onda infravermelhos, o que tem aplicações potenciais em fotônica, sensores e gerenciamento térmico," disse o professor Yin Liu, coordenador da equipe. "Imagine ser capaz de projetar chips de computador que possam usar esses materiais para liberar calor, convertendo-o em luz infravermelha."

"O trabalho também é empolgante porque a técnica que demonstramos para a criação desses materiais significa que os filmes finos podem ser facilmente integrados a uma ampla variedade de substratos," destacou Xu. "Isso deve facilitar a incorporação dos materiais em muitos tipos diferentes de dispositivos."

A queda do comprimento de onda é dramática.
[Imagem: Ruijuan Xu et al. - 10.1038/s41467-024-47917-x]

Como comprimir a luz

Os pesquisadores trabalharam com cristais de perovskita de metais de transição. Especificamente, eles usaram deposição de laser pulsado para cultivar uma membrana cristalina de titanato de estrôncio (SrTiO₃) com 100 nanômetros de espessura em uma câmara de vácuo, gerando filmes finos com poucos defeitos. Estas películas finas foram então removidas do substrato em que foram cultivadas e colocadas em uma superfície de óxido de silício., mostrando que a técnica é compatível com toda a tecnologia da microeletrônica

Quando a luz infravermelha atinge esse material, entram em ação partículas e quasipartículas que se tornam as responsáveis pela compactação da luz. Fônons e fótons são formas pelas quais a energia viaja através e entre os materiais. Os fônons são essencialmente as ondas de energia causadas pela vibração dos átomos. Os fótons são essencialmente ondas de energia eletromagnética. Você pode pensar nos fônons como unidades de energia sonora, enquanto os fótons são unidades de energia luminosa. A mágica da compactação da luz ocorre que ambos são intermediados por polaritons, que são quasipartículas que ocorrem quando um fóton infravermelho é acoplado a um fônon "óptico" - ou seja, um fônon que pode emitir ou absorver luz.

"Nós demonstramos que podemos confinar a luz infravermelha a 10% do seu comprimento de onda, mantendo a sua frequência - o que significa que a quantidade de tempo que leva para um comprimento de onda circular é a mesma, mas a distância entre os picos da onda é muito mais próxima. As técnicas de cristal em massa confinam a luz infravermelha a cerca de 97% do seu comprimento de onda," disse Xu.

Com o comprimento de onda muito mais curto torna-se possível alcançar um novo patamar de miniaturização dos dispositivos projetados para lidar com a luz infravermelha, colocando tudo dentro de chips, seja para pegar o calor e enviá-lo para fora, seja para receber essas ondas de calor e gerar imagens.

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