A luz visível e infravermelha pode transportar mais dados do que as ondas de rádio, mas sempre esteve confinado a uma rede cabo de fibra ótica. Trabalhando com o Laboratório de Conectividade do Facebook, uma equipe de pesquisa da Duke fez um grande avanço em direção ao sonho de se livrar da fibra óptica.

Enquanto trabalhava para criar um sistema de comunicação óptica de espaço livre para internet sem fio de alta velocidade, os pesquisadores também mostram que as propriedades de velocidade e eficiência demonstradas anteriormente em minúsculas, antenas plasmônicas de unidade única também podem ser obtidas em maiores, dispositivos em escala centimétrica.

A pesquisa foi publicada online em 11 de fevereiro no jornal Optica .

Em 2016, pesquisadores do Laboratório de Conectividade da Internet.org - uma subsidiária do Facebook - delinearam um novo tipo de detector de luz que poderia ser usado para comunicação óptica em espaço livre. Tradicionalmente, as conexões de fibra óptica com fio podem ser muito mais rápidas do que as conexões sem fio de ondas de rádio. Isso ocorre porque as frequências de luz visível e infravermelha podem transportar muito mais informações do que as ondas de rádio (WiFi, Bluetooth, etc).

Mas usar essas frequências mais altas em dispositivos sem fio é difícil. As configurações atuais usam LEDs ou lasers direcionados a detectores que podem se reorientar para otimizar a conexão. Seria muito mais eficiente, Contudo, se um detector pudesse capturar luz de diferentes direções ao mesmo tempo. O problema é que aumentar o tamanho de um receptor óptico também o torna mais lento.

Este também foi o caso para o design do Laboratório de Conectividade. Um feixe esférico de fibras fluorescentes capturou luz laser azul de qualquer direção e reemitiu luz verde que poderia ser canalizada para um pequeno receptor. Embora o protótipo fosse capaz de atingir taxas de dois gigabits por segundo, a maioria dos provedores de internet de fibra ótica oferece até 10 Gb, e os sistemas de ponta podem chegar aos milhares.

Procurando uma maneira de acelerar seus projetos de comunicação óptica no espaço livre, o Laboratório de conectividade recorreu a Maiken Mikkelsen, o James N. e Elizabeth H. Barton Professor Associado de Engenharia Elétrica e de Computação e Física na Duke. Na última década, Mikkelsen tem sido um pesquisador líder na área de plasmônica, que captura a luz na superfície de minúsculos nanocubos para aumentar a velocidade e a eficiência de um dispositivo na transmissão e absorção de luz em mais de mil vezes.

"O protótipo do Connectivity Lab foi restringido pelo tempo de vida das emissões do corante fluorescente que estavam usando, fazendo com que seja ineficiente e lento, "disse Mikkelsen." Eles queriam aumentar a eficiência e descobriram meu trabalho mostrando tempos de resposta ultrarrápidos em sistemas fluorescentes. Minha pesquisa só provou que essas taxas de eficiência eram possíveis em um único, sistemas em nanoescala, portanto, não sabíamos se ele poderia chegar a um detector de escala centimétrica. "

Todos os trabalhos anteriores, Mikkelsen explica, tem sido demonstrações de prova de princípio com uma única antena. Esses sistemas normalmente envolvem nanocubos de metal espaçados de dezenas a centenas de nanômetros e colocados apenas alguns nanômetros acima de um filme de metal. Embora um experimento possa usar dezenas de milhares de nanocubos em uma grande área, pesquisas que mostram seu potencial para propriedades super-rápidas selecionaram historicamente apenas um cubo para medição.

No novo jornal, Mikkelsen e Andrew Traverso, uma pesquisadora de pós-doutorado trabalhando em seu laboratório, trouxe um design mais intencional e otimizado para um dispositivo plasmônico de grande área. Nanocubos de prata com apenas 60 nanômetros de largura estão espaçados cerca de 200 nanômetros, cobrindo 17% da superfície do dispositivo. Esses nanocubos ficam a apenas sete nanômetros acima de uma fina camada de prata, espaçadas por um revestimento de polímero que é atolado com quatro camadas de corante fluorescente.

Os nanocubos interagem com a base de prata de uma forma que aumenta as capacidades fotônicas do corante fluorescente, causando um aumento de 910 vezes na fluorescência geral e um aumento de taxa de emissão de 133 vezes. A antena super rápida também pode capturar luz de um campo de visão de 120 graus e convertê-la em uma fonte direcional com uma eficiência geral recorde de 30%.

"Os efeitos plasmônicos sempre foram conhecidos por perder muita eficiência em uma grande área, "disse Traverso." Mas nós mostramos que você pode pegar recursos atraentes de emissão ultra-rápida de um dispositivo em nanoescala e recriá-lo em uma escala macroscópica. E nosso método é facilmente transferível para instalações de fabricação. Podemos criar essas metassuperfícies plasmônicas em grande escala em menos de uma hora com pipetas e placas de Petri, apenas simples deposições de líquidos em filmes de metal. "

O efeito geral da demonstração é a capacidade de capturar luz de um grande campo de visão e afunilá-la em um cone estreito sem perder velocidade. Para avançar com esta tecnologia, os pesquisadores precisariam juntar vários dispositivos plasmônicos para cobrir um campo de visão de 360 ​​graus e, mais uma vez, incluir um detector interno separado. Enquanto houver trabalho a ser feito, os pesquisadores veem um caminho viável a seguir.

"Nesta demonstração, nossa estrutura atua para retransmitir com eficiência os fótons de um ângulo amplo para um ângulo estreito sem perder velocidade, "disse Mikkelsen." Ainda não integramos um fotodetector rápido regular como o Laboratório de Conectividade fez em seu papel original. Mas resolvemos o grande gargalo no design e as aplicações futuras são muito empolgantes! "