Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram o primeiro laser em miniatura no qual a luz é guiada ao longo do chão de uma trincheira metálica aberta. O laser pode atuar como um dispositivo em nanoescala para detectar quantidades mínimas de poluentes e outros produtos químicos no ambiente, ou detectar a ligação superficial de biomoléculas para diagnósticos médicos.

Wenqi Zhu do NIST e da Universidade de Maryland, junto com os físicos do NIST Henri Lezec e Amit Agrawal, descreveu seu trabalho em uma edição recente da Science Advances. O trabalho foi realizado em colaboração com a Universidade de Nanjing na China e a Universidade de Michigan.

O desenvolvimento do novo laser depende da interação entre fótons - partículas de luz - e o mar de elétrons que flutua ao longo da superfície de um metal. As interações entre os fótons e as ondulações no mar de elétrons produzem um tipo especial de onda de luz, apelidado de polariton de plasmon de superfície (SPP), que está fortemente confinado a viajar apenas ao longo da superfície do metal. Este confinamento torna os SPPs altamente sensíveis a qualquer coisa que se encontre na superfície do metal.

Como primeiro passo para construir o laser em miniatura, a equipe criou em prata uma pequena cavidade aberta em forma de trincheira na qual os SPPs podem ressoar. A cavidade é uma superfície plana flanqueada por minúsculos, paredes laterais semelhantes a espelhos que refletem as ondas da superfície para frente e para trás.

Por meio de fabricação cuidadosa, a cavidade ressonante possuía duas propriedades principais:todas as suas superfícies internas eram lisas em escala atômica, variando em espessura em não mais do que alguns nanômetros, e suas paredes laterais eram perpendiculares em relação ao assoalho plano da cavidade. O design, tornado possível pela moldagem de prata usando um modelo de silicone precisamente padronizado, permitiu que os SPPs saltassem para frente e para trás na cavidade centenas de vezes sem perder energia significativa, como uma corda de violão sustentando uma nota pura por muito tempo. Essa propriedade, conhecido como fator de alta qualidade, ou alto Q, é essencial para construir um laser. O Q medido pela equipe é o mais alto até agora para qualquer ressonador de luz visível usando apenas SPPs.

O Q alto também permitiu que a cavidade funcionasse como um filtro extremamente seletivo para SPPs - apenas aqueles com comprimentos de onda que caíam em uma faixa estreita poderiam ressoar na cavidade. A faixa estreita é importante porque permite que a cavidade ressonante (mesmo antes de se tornar parte de um laser) se torne um detector altamente sensível de pequenas mudanças em seu ambiente - a presença de partículas ou a adição de uma película fina ao chão da cavidade . Essas mudanças deslocam o centro da banda de comprimentos de onda que ressoará na cavidade.

"Ao alcançar uma ressonância estreita, a mudança no comprimento de onda é clara, e a cavidade aberta pode atuar como um detector extremamente sensível, "disse Lezec.

Depois de demonstrar que a cavidade pode ser usada como um sensor, a equipe então trabalhou para transformar seu projeto em um laser. Eles fizeram isso adicionando um revestimento ultrafino à cavidade que ampliou a intensidade do SPP viajando pela estrutura. Este é o primeiro laser em nanoescala já construído pela manipulação de um SPP viajando em uma única superfície plana de metal, Lezec observou.

Simulações sugerem que o laser SPP pode se tornar um detector ainda mais sensível para produtos biológicos, materiais químicos e ambientais do que usar apenas a cavidade ressonante. O design do laser também permite que ele seja facilmente integrado a um circuito fotônico e também pode permitir novos estudos de plasmônica quântica, a interação em nanoescala da matéria com as propriedades quânticas da luz.