A luz é notoriamente rápida. Sua velocidade é crucial para a troca rápida de informações, mas à medida que a luz atravessa os materiais, suas chances de interagir e excitar átomos e moléculas podem se tornar muito pequenas. Se os cientistas puderem travar as partículas de luz, ou fótons, isso abriria a porta para uma série de novas aplicações de tecnologia.

Agora, em um artigo publicado em 17 de agosto, no Nature Nanotechnology , Cientistas de Stanford demonstram uma nova abordagem para reduzir significativamente a velocidade da luz, muito parecido com uma câmara de eco que mantém o som, e dirigi-lo à vontade. Pesquisadores do laboratório de Jennifer Dionne, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford, chips de silício ultrafinos estruturados em barras em nanoescala para capturar a luz de forma ressonante e, em seguida, liberá-la ou redirecioná-la posteriormente. Esses ressonadores de "fator de alta qualidade" ou "alto Q" podem levar a novas maneiras de manipular e usar a luz, incluindo novos aplicativos para computação quântica, realidade virtual e realidade aumentada; WiFi baseado em luz; e até mesmo a detecção de vírus como o SARS-CoV-2.

"Estamos essencialmente tentando capturar a luz em uma caixa minúscula que ainda permite que a luz entre e saia de muitas direções diferentes, "disse o pós-doutorado Mark Lawrence, que também é o autor principal do artigo. "É fácil capturar luz em uma caixa com muitos lados, mas não é tão fácil se os lados são transparentes - como é o caso de muitos aplicativos baseados em silício. "

Fazer e fabricar

Antes que eles possam manipular a luz, os ressonadores precisam ser fabricados, e isso apresenta uma série de desafios.

Um componente central do dispositivo é uma camada extremamente fina de silício, que captura a luz de forma muito eficiente e tem baixa absorção no infravermelho próximo, o espectro de luz que os cientistas desejam controlar. O silício repousa sobre uma placa de material transparente (safira, neste caso) em que os pesquisadores direcionam uma "caneta" de microscópio eletrônico para gravar seu padrão de nanoantena. O padrão deve ser desenhado o mais suavemente possível, como essas antenas servem como paredes na analogia da câmara de eco, e as imperfeições inibem a capacidade de captura de luz.

"Ressonâncias de alto Q exigem a criação de paredes laterais extremamente lisas que não permitem que a luz vaze, "disse Dionne, que também é vice-reitor associado sênior de plataformas de pesquisa / instalações compartilhadas. "Isso pode ser alcançado de forma bastante rotineira com estruturas maiores em escala de mícron, mas é muito desafiador com nanoestruturas que dispersam mais a luz. "

O projeto do padrão desempenha um papel fundamental na criação de nanoestruturas de alto Q. "Em um computador, Posso desenhar linhas e blocos ultra-suaves de qualquer geometria, mas a fabricação é limitada, "disse Lawrence." Em última análise, tivemos que encontrar um projeto que fornecesse um bom desempenho de captura de luz, mas estivesse dentro do reino dos métodos de fabricação existentes. "

Aplicativos de alta qualidade (fator)

Ajustar o design resultou no que Dionne e Lawrence descrevem como uma tecnologia de plataforma importante com inúmeras aplicações práticas.

Os dispositivos demonstraram os chamados fatores de qualidade de até 2, 500, que é duas ordens de magnitude (ou 100 vezes) maior do que quaisquer dispositivos semelhantes alcançaram anteriormente. Fatores de qualidade são uma medida que descreve o comportamento de ressonância, que, neste caso, é proporcional ao tempo de vida da luz. "Alcançando fatores de qualidade na casa dos milhares, já estamos em um bom ponto de algumas aplicações tecnológicas muito interessantes, "disse Dionne.

Por exemplo, bio-sensoriamento. Uma única biomolécula é tão pequena que é essencialmente invisível. Mas passar luz sobre uma molécula centenas ou milhares de vezes pode aumentar muito a chance de criar um efeito de espalhamento detectável.

O laboratório de Dionne está trabalhando na aplicação dessa técnica para detectar antígenos COVID-19 - moléculas que desencadeiam uma resposta imune - e anticorpos - proteínas produzidas pelo sistema imunológico em resposta. "Nossa tecnologia daria uma leitura óptica como os médicos e clínicos estão acostumados a ver, "disse Dionne." Mas temos a oportunidade de detectar um único vírus ou concentrações muito baixas de uma infinidade de anticorpos devido às fortes interações luz-molécula. "O design dos nanorressonadores de alto Q também permite que cada antena opere independentemente para detectar diferentes tipos de anticorpos simultaneamente.

Embora a pandemia tenha estimulado seu interesse na detecção viral, Dionne também está entusiasmado com outras aplicações, como LIDAR — ou Light Detection and Ranging, que é uma tecnologia de medição de distância baseada em laser freqüentemente usada em veículos autônomos - para a qual essa nova tecnologia poderia contribuir. "Há alguns anos, eu não poderia imaginar os imensos espaços de aplicação que este trabalho abordaria, "disse Dionne." Para mim, este projeto reforçou a importância da pesquisa fundamental - você nem sempre pode prever para onde a ciência fundamental irá ou aonde isso levará, mas pode fornecer soluções críticas para desafios futuros. "

Essa inovação também pode ser útil na ciência quântica. Por exemplo, dividir fótons para criar fótons emaranhados que permanecem conectados em um nível quântico, mesmo quando distantes, normalmente exigiria grandes experimentos ópticos de mesa com grandes cristais polidos precisamente caros. "Se pudermos fazer isso, mas use nossas nanoestruturas para controlar e dar forma à luz emaranhada, talvez um dia tenhamos um gerador de emaranhamento que você pode segurar na mão, "Lawrence disse." Com nossos resultados, estamos ansiosos para olhar para a nova ciência que é possível agora, mas também tentando empurrar os limites do que é possível. "