Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um material que pode reduzir as perdas de sinal em dispositivos fotônicos. O avanço tem o potencial de aumentar a eficiência de várias tecnologias baseadas em luz, incluindo sistemas de comunicação de fibra óptica, lasers e fotovoltaicos.

A descoberta aborda um dos maiores desafios no campo da fotônica:minimizar a perda de sinais ópticos (baseados em luz) em dispositivos conhecidos como metamateriais plasmônicos.

Metamateriais plasmônicos são materiais projetados em nanoescala para controlar a luz de maneiras incomuns. Eles podem ser usados ​​para desenvolver dispositivos exóticos que variam de capas de invisibilidade a computadores quânticos. Mas um problema com os metamateriais é que eles normalmente contêm metais que absorvem energia da luz e a convertem em calor. Como resultado, parte do sinal óptico é desperdiçado, diminuindo a eficiência.

Em um estudo recente publicado em Nature Communications , uma equipe de pesquisadores de fotônica liderada pelo professor de engenharia elétrica Shaya Fainman da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs demonstrou uma maneira de compensar essas perdas incorporando ao metamaterial algo que emite luz - um semicondutor.

"Estamos compensando a perda introduzida pelo metal com o ganho do semicondutor. Essa combinação teoricamente poderia resultar em absorção líquida zero do sinal - um metamaterial 'sem perdas', "disse Joseph Smalley, um bolsista de pós-doutorado em engenharia elétrica no grupo de Fainman e o primeiro autor do estudo.

Em seus experimentos, os pesquisadores direcionaram a luz de um laser infravermelho para o metamaterial. Eles descobriram que, dependendo de como a luz é polarizada - em qual plano ou direção (para cima e para baixo, lado a lado) todas as ondas de luz são definidas para vibrar - o metamaterial reflete ou emite luz.

"Este é o primeiro material que se comporta simultaneamente como metal e semicondutor. Se a luz for polarizada em uma direção, o metamaterial reflete a luz como um metal, e quando a luz é polarizada de outra forma, o metamaterial absorve e emite luz de uma "cor" diferente, como um semicondutor, "Smalley disse.

Os pesquisadores criaram o novo metamaterial cultivando primeiro um cristal do material semicondutor, chamado fosfeto de arsenieto de gálio e índio, em um substrato. Eles então usaram íons de alta energia do plasma para gravar trincheiras estreitas no semicondutor, criando fileiras de semicondutores com 40 nanômetros de largura, espaçadas em 40 nanômetros. Finalmente, eles encheram as trincheiras com prata para criar um padrão de faixas de semicondutor e prata alternadas em tamanho nano.

"Esta é uma forma única de fabricar este tipo de metamaterial, "Smalley disse. Nanoestruturas com camadas diferentes são muitas vezes feitas depositando cada camada separadamente, uma sobre a outra, "como uma pilha de papéis em uma mesa, "Smalley explicou. Mas o material semicondutor usado neste estudo (fosfeto de arseneto de gálio e índio) não pode ser cultivado em cima de qualquer substrato (como prata), caso contrário, terá defeitos. "Em vez de criar uma pilha de camadas alternadas, descobrimos uma maneira de organizar os materiais lado a lado, como pastas em um arquivo, mantendo o material semicondutor livre de defeitos. "

Como uma próxima etapa, a equipe planeja investigar o quanto este metamaterial e outras versões dele poderiam melhorar as aplicações fotônicas que atualmente sofrem com perdas de sinal.