Régua de luz miniaturizada levará precisão nas medições a qualquer lugar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/03/2024

Uma imagem de microscópio mostrando um chip de niobato de lítio de película fina que contém oito dos novos dispositivos “FM-OPO”. Um dispositivo ocupa cerca de 1×10 mm2 (destacado aqui com um retângulo tracejado).
[Imagem: Kevin Multani/Hubert Stokowski]

Réguas de luz

Trenas, metros, réguas, micrômetros e outros dispositivos de medição são bons e nos ajudam muito no dia a dia. Mas se você precisar de mais precisão, como no dia a dia de quem trabalha com chips de computador ou nos laboratórios de pesquisas, ainda não existe nada melhor do que uma régua de luz.

Tecnicamente chamados pentes de frequência, ou micropentes, esses referenciais de medição de alta precisão são lasers especializados que geram linhas de luz uniformemente espaçadas, semelhantes aos dentes de um pente ou, mais apropriadamente, às marcações de uma régua. Nascidas na virada deste século, essas réguas de luz revolucionaram muitos tipos de medição, desde a cronometragem até a detecção molecular por meio de espectroscopia.

No entanto, como os pentes de frequência requerem equipamentos volumosos, caros e que consomem muita energia, sua utilização tem sido largamente limitada a ambientes laboratoriais.

Mas talvez logo possamos ter uma "trena de luz de bolso", graças ao trabalho de Hubert Stokowski e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, que descobriram uma solução alternativa para esses problemas integrando duas abordagens diferentes para miniaturizar pentes de frequência em uma plataforma simples e fácil de fabricar no estilo microchip.

Entre as muitas aplicações que os pesquisadores imaginam para sua tecnologia versátil estão poderosos dispositivos de diagnóstico médico portáteis e sensores de monitoramento de gases de efeito estufa que possam ser instalados em qualquer lugar.

"A estrutura do nosso pente de frequência reúne os melhores elementos da tecnologia emergente de micropentes em um único dispositivo," disse Stokowski. "Podemos potencialmente dimensionar nosso novo micropente de frequência para dispositivos compactos, de baixo consumo de energia e baratos, que podem ser implantados em praticamente qualquer lugar."

Estrutura e micrografia da régua de luz miniaturizada.
[Imagem: Hubert S. Stokowski et al. - 10.1038/s41586-024-07071-2]

Pente de frequência miniaturizado

O novo instrumento de medição combina duas estratégias para criar a gama de frequências distintas, ou cores de luz, que constituem um pente de frequências. Uma estratégia, chamada oscilação paramétrica óptica, envolve refletir feixes de luz laser dentro de um meio cristalino, onde a luz gerada se organiza em pulsos de ondas coerentes e estáveis. A segunda estratégia centra-se no envio da luz laser para uma cavidade e, em seguida, na modulação da fase da luz - obtida aplicando sinais de radiofrequência ao dispositivo - para, em última análise, produzir repetições de frequência que agem como pulsos de luz.

Com tanta nomenclatura técnica, o nome da régua de luz portátil também não ficou simples: Oscilador Paramétrico Óptico Integrado Modulado em Frequência, ou FM-OPO (Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator).

Todas essas técnicas já eram conhecidas, mas são pouco usadas porque são energeticamente ineficientes, com as "marquinhas" da régua de luz ficando cada vez mais fracas quanto mais longe do centro. A equipe resolveu isto substituindo o silício por uma estrela dos materiais de alta tecnologia, o niobato de lítio, usado em processadores fotônicos, que usam luz em vez de eletricidade.

O pente de frequências produziu uma saída contínua, em vez de pulsos de luz, o que permitiu aos pesquisadores reduzir a potência de entrada necessária em aproximadamente uma ordem de grandeza. O dispositivo também produziu um pente convenientemente "plano", o que significa que as linhas do pente mais distantes em comprimento de onda do centro do espectro não perdem intensidade, oferecendo assim maior precisão e utilidade mais ampla em aplicações de medição.

O chip está quase pronto para ser fabricado industrialmente.
[Imagem: Hubert S. Stokowski et al. - 10.1038/s41586-024-07071-2]

Rumo às fábricas

Com alguns aprimoramentos para que ele possa ser fabricado fora do laboratório, o novo micropente deverá ser produzido em fundições convencionais de microchips, com muitas aplicações práticas, como detecção, espectroscopia, diagnósticos médicos, comunicações de fibra óptica e dispositivos vestíveis de monitoramento de saúde.

"Nosso chip micropente pode ser colocado em qualquer coisa, com o tamanho do dispositivo dependendo do tamanho da bateria," disse Stokowski. "A tecnologia que demonstramos poderá estar dentro de um dispositivo pessoal de baixa potência, do tamanho de um telefone ou até menor, e servir a todos os tipos de propósitos úteis."

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