Nanodisco híbrido otimiza e miniaturiza tecnologias da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2024

Esquema do experimento óptico: Um laser infravermelho (parte inferior) energiza o nanodisco. A seção de um quarto do disco mostra esquematicamente que o laser incidente produz ressonâncias, gerando áreas vermelhas que representam maior densidade do campo eletromagnético. Esta localização, ao lado da quebra da simetria inversa da rede cristalina, permite a conversão eficaz do laser vermelho em luz azul (frequência dupla).
[Imagem: Georgii Zograf/Chalmers]

Nanofotônica

A fotônica, a tecnologia da luz, tira proveito das interações entre a luz e a matéria para gerar vários fenômenos interessantes, que já levaram a grandes avanços nas comunicações, na medicina, nos raios laser e nas tecnologias quânticas, entre muitas outras áreas - a fotônica mistura luz e matéria de um modo que não dá pra dizer o que é o quê.

Agora, pesquisadores suecos criaram uma nova ferramenta para esse arsenal que combina elementos da fotônica em nanoescala, ou nanofotônica, que só haviam sido explorados independentemente: a não linearidade e a refração de alto índice.

A ferramenta é um nanodisco milhares de vezes menor do que o diâmetro de um fio de cabelo, mas ainda assim capaz de multiplicar a potência disponível até agora para essas tecnologias.

De modo simplificado, o nano-objeto é resultado de uma combinação de ressonâncias da matéria e de ressonâncias ópticas com a capacidade de converter a frequência da luz através da não linearidade - esta última significa que a saída não é diretamente proporcional à entrada, o que é essencial para fazer coisas interessantes com as ondas de luz, como fazer uma cor transformar-se em outra, por exemplo.

"Ficamos surpresos e felizes com o que conseguimos alcançar. A estrutura que parece um disco é muito menor do que o comprimento de onda da luz, mas é um conversor de frequência de luz muito eficiente. Ele é também 10.000 vezes, ou talvez até mais, mais eficiente do que um material não estruturado do mesmo tipo, provando que a nanoestruturação é o caminho para aumentar a eficiência," disse o professor Georgii Zograf, da Universidade de Tecnologia Chalmers.

Os efeitos obtidos são várias ordens de magnitude maiores do que os gerados pelos melhores materiais disponíveis hoje.
[Imagem: George Zograf et al. - 10.1038/s41566-024-01444-9]

Disco de molibdenita

O nanodisco é feito de um dicalcogeneto de metal de transição, especificamente de dissulfeto de molibdênio (MoS₂), um material atomicamente fino que possui excelentes propriedades ópticas à temperatura ambiente - esse semicondutor 2D é muito citado mais genericamente como molibdenita.

O problema com esse material é que é muito difícil empilhar suas camadas sem perder as propriedades não lineares devido às restrições de simetria de sua rede cristalina. Mas a equipe resolveu este problema, e confirmou que o material resultante apresenta um alto índice de refração, o que significa que a luz pode ser comprimida de forma mais eficaz neste meio.

"Fabricamos pela primeira vez um nanodisco de dissulfeto de molibdênio especificamente empilhado que preserva a simetria inversa quebrada em seu volume e, portanto, mantém a não linearidade óptica. Esse nanodisco pode manter as propriedades ópticas não lineares de cada camada. Isso significa que as propriedades do material não apenas são mantidas, como são melhoradas," disse Zograf.

Miniaturização das tecnologias fotônicas

Outra vantagem é que a molibdenita empilhada tem a vantagem de ser transferível para qualquer substrato - a equipe usou vidro - sem a necessidade de combinar a rede atômica do semicondutor com o material subjacente.

A nanoestrutura também é muito eficiente na localização do campo eletromagnético e na geração de luz de frequência dupla, um efeito chamado geração de segundo harmônico, um fenômeno óptico não linear semelhante aos efeitos de geração de frequência de soma e diferença usados em sistemas de laser pulsado de alta energia.

"É realmente um marco, principalmente devido ao tamanho extremamente pequeno do disco. A geração de segunda harmônica e outras não linearidades são usadas em lasers todos os dias, mas as plataformas que as utilizam estão normalmente na escala centimétrica. Em contraste, a escala do nosso objeto tem cerca de 50 nanômetros, então é uma estrutura cerca de 100.000 vezes mais fina," disse o professor Timur Shegai.

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