Pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade de Campinas (IFGW-UNICAMP) no Estado de São Paulo, Brasil, teorizaram um dispositivo fotônico de silício que permitiria a interação de ondas ópticas e mecânicas que vibram a dezenas de gigahertz (GHz). O dispositivo proposto é descrito em artigo publicado em Relatórios Científicos .

"Por meio de simulações de computador, propusemos um dispositivo que poderia explorar um mecanismo de espalhamento de luz por vibrações mecânicas, chamado de dispersão de Brillouin, e pode ser transposto para microchips fotônicos, "disse Gustavo Silva Wiederhecker, professora do IFGW-UNICAMP e pesquisadora principal do projeto de nanofotônica.

Nos últimos anos, Wiederhecker e seu grupo no IFGW-UNICAMP têm se concentrado neste mecanismo, que foi inicialmente descrito em 1922 pelo físico francês León Nicolas Brillouin (1889-1969). Na dispersão de Brillouin, luz, que consiste em fótons, interage com vibrações elásticas, que consistem em fônons, em frequências muito altas (dezenas de GHz) em um meio transparente.

Era impossível explorar esse efeito de forma eficiente até a década de 1960, quando o físico norte-americano Theodore Harold Maiman (1927-2007) inventou o laser. Naquela hora, pesquisadores observaram que o campo eletromagnético de um intenso feixe de luz transmitido ao longo de uma fibra óptica por uma fonte de laser induz ondas acústicas que se propagam ao longo do material e espalham a luz em uma frequência diferente da do laser.

"Este mecanismo de espalhamento de luz é fácil de observar nas fibras ópticas, que pode ter centenas de quilômetros de comprimento, porque é cumulativo, "Wiederhecker disse, o que significa que aumenta à medida que as ondas viajam ao longo da fibra.

"É mais difícil de observar e explorar em um dispositivo optomecânico na escala micrométrica por causa do pequeno espaço no qual a luz circula." Dispositivos optomecânicos confinam simultaneamente ondas de luz e ondas mecânicas para permitir a interação entre elas.

Para superar essa limitação de tamanho em relação à propagação de luz, Wiederhecker e seu grupo desenvolveram discos de silício com um diâmetro de aproximadamente 10 mícrons (μm), equivalente a um décimo da espessura de um cabelo humano. Os discos atuam como microcavidades.

Usando uma fibra óptica com um diâmetro de aproximadamente 2 μm, os pesquisadores acoplaram luz a este sistema. A luz é refletida da borda do material e gira em torno da cavidade do disco milhares de vezes ao longo de alguns nanossegundos antes de se dissipar.

Como resultado, a luz permanece na cavidade por mais tempo e, portanto, interage mais com o material, e os efeitos optomecânicos são aumentados. "É como se a luz se propagasse por uma distância muito maior, "Wiederhecker explicou.

O problema é que tal microcavidade não permite que a luz em qualquer frequência arbitrária seja ressonante (para se propagar através da cavidade), embora permita que a luz originalmente emitida pelo laser se propague. "Portanto, você não pode explorar o efeito de dispersão de Brillouin nessas microcavidades, " ele disse.

Usando simulações de computador, os pesquisadores teoricamente não construíram um microdisco com uma cavidade, mas um sistema composto por dois microdiscos de silício com uma cavidade cada. Os discos são acoplados lateralmente, e a distância entre suas cavidades é minúscula, da ordem de centenas de nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Este sistema cria o que é conhecido como efeito de separação de frequência.

Este efeito separa ligeiramente a frequência da luz espalhada pelas ondas acústicas da frequência da luz emitida pelo laser, que é 11-25 GHz - exatamente o mesmo das ondas mecânicas - e garante que os milhares de fônons (excitações elementares de ondas acústicas) gerados por segundo neste sistema (em taxas que variam de 50 kHz a 90 kHz) possam se propagar nas cavidades.

Como resultado, é possível observar e explorar o espalhamento de Brillouin neste sistema micrométrico, de acordo com Wiederhecker.

"Mostramos que, com uma potência do laser de cerca de 1 miliwatt - equivalente à potência de um apontador laser para uso em uma apresentação de slides, por exemplo, seria possível observar o efeito de espalhamento de Brillouin em um sistema de cavidade de disco duplo, " ele disse.