(Phys.org) —Uma equipe de engenheiros da Universidade da Pensilvânia usou um padrão de nanoantenas para desenvolver uma nova maneira de transformar luz infravermelha em ação mecânica, abrindo a porta para câmeras infravermelhas mais sensíveis e técnicas de análise química mais compactas.

A pesquisa foi conduzida pelo professor assistente Ertugrul Cubukcu e pelo pesquisador de pós-doutorado Fei Yi, junto com os alunos de pós-graduação Hai Zhu e Jason C. Reed, todos do Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn.

Foi publicado na revista Nano Letras .

A detecção de luz na faixa do infravermelho médio é importante para aplicações como câmeras de visão noturna, mas também pode ser usado para fazer espectroscopia, uma técnica que envolve espalhar luz sobre uma substância para inferir sua composição química. Os detectores infravermelhos existentes usam semicondutores resfriados criogenicamente, ou detectores térmicos conhecidos como microbolômetros, em que as mudanças na resistência elétrica podem ser correlacionadas às temperaturas. Essas técnicas têm suas próprias vantagens, mas ambos precisam ser caros, equipamento volumoso para ser sensível o suficiente para aplicações de espectroscopia.

"Propusemo-nos a fazer um detector infravermelho térmico optomecânico, "Cubukcu disse." Em vez de mudanças na resistência, nosso detector funciona conectando o movimento mecânico às mudanças de temperatura. "

A vantagem dessa abordagem é que ela poderia reduzir a área ocupada por um dispositivo de detecção infravermelho para algo que caberia em um chip de silício descartável. Os pesquisadores fabricaram tal dispositivo em seu estudo.

No centro do dispositivo está uma estrutura em nanoescala - cerca de um décimo de milímetro de largura e cinco vezes mais longa - feita de uma camada de ouro ligada a uma camada de nitreto de silício. Os pesquisadores escolheram esses materiais por causa de seus diferentes coeficientes de expansão térmica, um parâmetro que determina o quanto um material se expandirá quando aquecido. Como os metais irão naturalmente converter alguma energia da luz infravermelha em calor, os pesquisadores podem conectar a quantidade de expansão do material à quantidade de luz infravermelha que o atinge.

"Uma única camada se expandiria lateralmente, mas nossas duas camadas são restritas porque estão ligadas uma à outra, "Cubukcu disse." A única maneira que eles podem se expandir é na terceira dimensão. Nesse caso, isso significa dobrar em direção ao lado dourado, já que o ouro tem o coeficiente de expansão térmica mais alto e se expandirá mais. "

Para medir esse movimento, os pesquisadores usaram um interferômetro de fibra. Um cabo de fibra óptica apontado para cima neste sistema reflete a luz na parte inferior da camada de nitreto de silício, permitindo aos pesquisadores determinar até que ponto a estrutura se curvou para cima.

"Podemos dizer o quanto a camada inferior se moveu com base nesta luz refletida, "Cubukcu disse." Podemos até ver deslocamentos que são milhares de vezes menores do que um átomo de hidrogênio. "

Outros pesquisadores desenvolveram sensores infravermelhos optomecânicos com base neste princípio, mas suas sensibilidades têm sido comparativamente baixas. O dispositivo da equipe Penn é uma melhoria a esse respeito devido à inclusão de nanoantenas "slot", cavidades que são gravadas na camada de ouro em intervalos que correspondem aos comprimentos de onda da luz infravermelha média.

"A radiação infravermelha está concentrada nas fendas, então você não precisa de nenhum material adicional para fazer essas antenas, "Cubukcu disse." Nós usamos a mesma plataforma exata e, padronizando-o com essas antenas em nanoescala, a eficiência de conversão do detector melhora 10 vezes. "

A inclusão de nanoantenas fornece ao dispositivo uma vantagem adicional:a capacidade de personalizar o tipo de luz à qual ele é sensível, gravando um padrão diferente de fendas na superfície.

“Outras técnicas só funcionam na absorção máxima determinada pelo próprio material, "Yi disse." Nossas antenas podem ser projetadas para absorver em qualquer comprimento de onda. "

Embora seja apenas uma prova de conceito nesta fase, pesquisas futuras demonstrarão as capacidades do dispositivo como uma forma de baixo custo de analisar proteínas individuais e moléculas de gás.