Nanolaser de estado sólido abre caminho para chips ópticos

Agência Fapesp - 31/08/2009

O esquema (acima) ilustra a luz sendo comprimida e mantida no espaço de 5 nanômetros entre o nanofio e a base de prata. Abaixo, uma imagem por microscópio eletrônico do nanolaser real.
[Imagem: Xiang Zhang Lab, UC Berkeley]

O menor laser semicondutor do mundo, capaz de gerar luz visível em um espaço menor do que o tamanho de uma única molécula de proteína, acaba de ser construído por um grupo de pesquisadores dos Estados Unidos e da China.

Além de comprimir luz em um espaço até então considerado inviável, os cientistas encontraram uma nova maneira de fazer com que a energia luminosa não se dissipe à medida que é emitida, obtendo, dessa forma, a ação do laser.

Aplicações dos nanolasers

Há menos de duas semanas, outro grupo de cientistas relatou a criação do spaser, um novo tipo de laser capaz focalizar a luz em dimensões muito menores do que o que se considerava possível. Os cientistas fizeram o mesmo agora, com a vantagem de utilizar um aparato inteiramente de estado sólido.

O nanolaser de estado sólido possibilitará o desenvolvimento das mais variadas inovações, como técnicas de microscopia e manipulação que possam perscrutar e caracterizar moléculas de DNA, tecnologias de telecomunicações ópticas muito mais rápidas do que as atuais e o desenvolvimento da computação óptica, na qual a luz substitui os circuitos eletrônicos atuais - veja também Nanolaser permitirá integração de circuitos ópticos em chips.

Plásmons de superfície

"Esse trabalho derruba as noções tradicionais de limites do laser e representa um grande avanço no desenvolvimento de novas aplicações nas áreas biomédica, de comunicações e de computação", disse Xiang Zhang, da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos Estados Unidos.

A noção tradicional é de que uma onda eletromagnética - entre as quais a luz - não pode ser focada em uma dimensão abaixo da metade de seu comprimento de onda. Mas grupos de pesquisa em diversos países têm conseguido formas de comprimir a luz até a escala de dezenas de nanômetros (bilionésima parte do metro) ao "grudá-la" em elétrons que oscilam coletivamente na superfície de metais, criando os chamados plásmons de superfície.

Diversos grupos têm tentado construir lasers de plásmons de superfície que possam sustentar e aproveitar essas ínfimas excitações ópticas. Mas a resistência inerente dos metais faz com que essas formas se dissipem quase imediatamente após terem sido geradas.

Luz aprisionada

Zhang e colegas partiram para uma nova abordagem de modo a evitar a perda de energia luminosa. O grupo empregou um nanofio de sulfeto de cádmio (mil vezes mais fino do que um fio de cabelo humano) e uma superfície de prata, os dois separados por um espaço de isolamento de apenas 5 nanômetros (o tamanho de uma molécula de proteína).

Nessa estrutura, o espaço de isolamento foi capaz de armazenar luz em uma área 20 vezes menor do que seu comprimento de onda. Como a energia luminosa foi armazenada nesse espaço não luminoso, a perda foi diminuída significativamente.

Laser de estado sólido

Controlando a perda de luz que inviabilizara experimentos anteriores, os cientistas puderam finalmente partir para sua amplificação, obtendo o laser.

"Em escalas tão pequenas não há muito espaço para atuar. Em nossa estrutura, o nanofio atua tanto como um mecanismo de confinamento como um amplificador. Ou seja, ele trabalha em dobro", disse Rupert Oulton, do laboratório de Zhang e autor do estudo.

Ao aprisionar a luz no minúsculo espaço entre o nanofio semicondutor e a superfície metálica, os cientistas puderam mantê-la sob controle o tempo suficiente para que suas oscilações se estabilizassem em um estado coerente que é a característica chave de um laser.

Em conjunto com um elétron

"Um ponto particularmente entusiasmante a respeito dos lasers de plásmons que demonstramos nesse trabalho é que eles estão em estado sólido e são totalmente compatíveis com a produção de semicondutores. Ou seja, podem ser aplicados em escala industrial", disse Volker Sorger, outro membro do grupo.

Os autores do estudo pretendem diminuir a luz até o tamanho do comprimento de onda de um elétron, ou cerca de 1 nanômetro, de modo que os dois, luz e elétrons, possam atuar em conjunto de modo equivalente.

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