Em um casamento arranjado de óptica e mecânica, os físicos criaram feixes estruturais microscópicos que têm uma variedade de usos poderosos quando a luz os atinge. Capaz de operar normalmente, ambientes de temperatura ambiente, ainda explorando alguns dos princípios mais profundos da física quântica, esses sistemas optomecânicos podem atuar como termômetros inerentemente precisos, ou inversamente, como uma espécie de blindagem óptica que desvia o calor. A pesquisa foi realizada por uma equipe liderada pelo Joint Quantum Institute (JQI), uma colaboração de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland.

Descrito em um par de novos artigos em Ciência e Cartas de revisão física , as aplicações potenciais incluem sensores de temperatura baseados em chip para eletrônicos e biologia que nunca precisariam ser ajustados, uma vez que dependem de constantes fundamentais da natureza; refrigeradores minúsculos que podem resfriar componentes de microscópio de última geração para imagens de alta qualidade; e "metamateriais" aprimorados que poderiam permitir aos pesquisadores manipular luz e som de novas maneiras.

Feito de nitreto de silício, um material amplamente utilizado nas indústrias de eletrônica e fotônica, os feixes têm cerca de 20 mícrons (20 milionésimos de metro) de comprimento. Eles são transparentes, com uma fileira de orifícios perfurados através deles para melhorar suas propriedades ópticas e mecânicas.

"Você pode enviar luz por este feixe porque é um material transparente. Você também pode enviar ondas sonoras por ele, "explicou Tom Purdy, um físico do NIST que é autor de ambos os artigos. Os pesquisadores acreditam que os feixes podem levar a melhores termômetros, que agora são onipresentes em nossos dispositivos, incluindo telefones celulares.

"Basicamente, carregamos um monte de termômetros conosco o tempo todo, "disse JQI Fellow Jake Taylor, autor sênior dos novos artigos. "Alguns fornecem leituras de temperatura, e outros avisam se o chip está muito quente ou a bateria está muito fria. Os termômetros também desempenham um papel crucial nos sistemas de transporte - aviões, carros - e avisa se o óleo do motor está superaquecendo. "

Mas o problema é que esses termômetros não são precisos na prateleira. Eles precisam ser calibrados, ou ajustado, para algum padrão. O projeto do feixe de nitreto de silício evita essa situação, contando com a física fundamental. Para usar o feixe como termômetro, os pesquisadores devem ser capazes de medir as menores vibrações possíveis no feixe. A quantidade de vibração do feixe é proporcional à temperatura do ambiente.

As vibrações podem vir de dois tipos de fontes. As primeiras são fontes "térmicas" comuns, como moléculas de gás que afetam o feixe ou ondas sonoras que passam por ele. A segunda fonte de vibração vem puramente do mundo da mecânica quântica, a teoria que governa o comportamento da matéria em escala atômica. O comportamento quântico ocorre quando os pesquisadores enviam partículas de luz, ou fótons, abaixo do feixe. Atingido pela luz, o feixe mecânico reflete os fótons, e recua no processo, criando pequenas vibrações no feixe. Às vezes, esses efeitos baseados em quantum são descritos usando a relação de incerteza de Heisenberg - o salto do fóton leva a informações sobre a posição do feixe, mas porque transmite vibrações ao feixe, adiciona incerteza à velocidade do feixe.

"As flutuações da mecânica quântica nos dão um ponto de referência porque, essencialmente, você não pode fazer o sistema se mover menos do que isso, "Disse Taylor. Ao inserir os valores da constante de Boltzmann e da constante de Planck, os pesquisadores podem calcular a temperatura. E dado esse ponto de referência, quando os pesquisadores medem mais movimento no feixe, como de fontes térmicas, eles podem extrapolar com precisão a temperatura do ambiente.

Contudo, as flutuações quânticas são um milhão de vezes mais fracas do que as vibrações térmicas; detectá-los é como ouvir um alfinete cair no meio de um chuveiro.

Em seus experimentos, os pesquisadores usaram um feixe de nitreto de silício de última geração construído por Karen Grutter e Kartik Srinivasan no NIST's Center for Nanoscale Science and Technology. Ao brilhar fótons de alta qualidade no feixe e analisar os fótons emitidos pelo feixe logo em seguida, "vemos um pouco do movimento vibracional quântico captado na saída de luz, "Purdy explicou. A abordagem de medição deles é sensível o suficiente para ver esses efeitos quânticos até a temperatura ambiente pela primeira vez, e é publicado na edição desta semana da Ciência .

Embora os termômetros experimentais estejam em uma fase de prova de conceito, os pesquisadores imaginam que eles podem ser particularmente valiosos em dispositivos eletrônicos, como termômetros no chip que nunca precisam de calibração, e em biologia.

"Processos biológicos, em geral, são muito sensíveis à temperatura, como sabe quem tem um filho doente. A diferença entre 37 e 39 graus Celsius é muito grande, "Disse Taylor. Ele prevê aplicações em biotecnologia, quando você deseja medir as mudanças de temperatura na "menor quantidade possível de produto, " ele disse.

Os pesquisadores vão na direção oposta em uma segunda aplicação proposta para as vigas, descrito em um artigo teórico publicado em Cartas de revisão física .

Em vez de deixar o calor atingir o feixe e servir como uma sonda de temperatura, os pesquisadores propõem usar o feixe para desviar o calor de, por exemplo, uma parte sensível de um dispositivo eletromecânico.

Em sua configuração proposta, os pesquisadores colocam o feixe em uma cavidade, um par de espelhos que refletem a luz para frente e para trás. Eles usam luz para controlar as vibrações do feixe de modo que o feixe não possa re-irradiar o calor que entra em sua direção normal, em direção a um objeto mais frio.

Para este aplicativo, Taylor compara o comportamento do feixe a um diapasão. Quando você segura um diapasão e o golpeia, ele irradia tons de som puros em vez de permitir que o movimento se transforme em calor, que desce pelo garfo e chega à sua mão.

"Um diapasão toca por muito tempo, mesmo no ar, "disse ele. As duas pontas do garfo vibram em direções opostas, ele explicou, e cancele uma forma de a energia sair da parte inferior do garfo pela sua mão.

Os pesquisadores até imaginam o uso de um feixe de nitreto de silício opticamente controlado como a ponta de um microscópio de força atômica (AFM), que detecta forças em superfícies para construir imagens em escala atômica. Uma ponta AFM opticamente controlada permaneceria fria - e teria um desempenho melhor. "Você está removendo o movimento térmico, o que torna mais fácil ver os sinais, "Taylor explicou.

Essa técnica também pode ser usada para fazer metamateriais melhores, objetos compostos complexos que manipulam a luz ou o som de novas maneiras e podem ser usados ​​para fazer lentes melhores ou até mesmo os chamados "mantos de invisibilidade" que fazem com que certos comprimentos de onda de luz passem por um objeto em vez de ricochetear nele.

"Metamateriais são nossa resposta para, 'Como fazemos materiais que capturam as melhores propriedades de luz e som, ou para calor e movimento? '", disse Taylor." É uma técnica que tem sido amplamente usada na engenharia, mas combinar a luz e o som ainda permanece um pouco incerto sobre até onde podemos ir com isso, e isso fornece uma nova ferramenta para explorar esse espaço. "