p Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um dispositivo em miniatura capaz de produzir feixes semelhantes a laser de um tipo particular de onda eletromagnética chamada plasmon de superfície. Os plasmons de superfície podem ser focados com muito mais precisão do que as ondas de luz, tornando-os úteis para aplicações como detecção. p Quando a luz é confinada entre dois espelhos parcialmente refletivos e amplificada por algum material entre eles, o feixe resultante pode ser extremamente brilhante e de uma única cor. Este é o princípio de funcionamento do laser, uma ferramenta usada em todas as áreas da vida moderna, desde o DVD player até a sala de cirurgia.

p Pesquisadores da ETH Zurich liderados por David Norris, professor do Laboratório de Engenharia de Materiais Óticos, e o Prof. Dimos Poulikakos, professor do Laboratório de Termodinâmica em Tecnologias Emergentes, desenvolveram um dispositivo em miniatura que aplica o mesmo princípio aos chamados plasmons de superfície. As ondas eletromagnéticas criadas por tal laser de plasma de superfície, ou "spaser", pode ser focado com muito mais força do que a luz, o que os torna interessantes tanto para pesquisa fundamental quanto para aplicações técnicas, como sensoriamento.

p Uma pequena cavidade para plasmons de superfície

p Em contraste com as ondas de luz comuns, que se propagam livremente dentro de um material transparente, Os plasmons de superfície consistem em ondas eletromagnéticas fortemente ligadas a ondulações na distribuição de elétrons na superfície de um metal. Os efeitos ópticos dos plasmons de superfície podem ser admirados, por exemplo, nos vitrais das catedrais medievais. Lá, plasmons gerados em nanopartículas metálicas dentro do vidro pela luz que entra dão às janelas suas cores peculiares e vibrantes.

p A equipe ETH agora criou o equivalente a uma cavidade de laser para plasmons de superfície, projetando superfícies de prata extremamente lisas, em cima dos quais dois blocos de prata ligeiramente curvos, alguns micrômetros de comprimento e apenas meio micrômetro de altura, é colocado. Esses micro-blocos atuam como o equivalente aos espelhos de um laser. Entre os blocos, os plasmons de superfície podem saltar para a frente e para trás muitas vezes. Finalmente, a amplificação necessária para obter um feixe de spaser é fornecida por pontos quânticos que são colocados dentro da cavidade. Os pontos quânticos são minúsculas partículas semicondutoras que se comportam de forma semelhante aos átomos individuais (às vezes são chamados de "átomos artificiais") e podem ser produzidos para amplificar ondas eletromagnéticas em uma frequência desejada.

p Os pesquisadores injetaram os pontos quânticos na cavidade do spaser, dissolvendo-os em um líquido que foi impresso com precisão nanométrica na superfície de prata por meio de um pequeno bico, usando uma técnica desenvolvida no laboratório de Poulikakos. Uma vez que a cavidade e os pontos quânticos estavam no lugar, os plasmons de superfície poderiam ser injetados no spaser ao lançar luz laser sobre os pontos quânticos.

p Maior amplificação possível

p “Em nosso trabalho tentamos integrar os elementos básicos de um spaser em um único pequeno dispositivo”, explica Jian Cui, pesquisador sênior de pós-doutorado no grupo de Norris e autor do estudo publicado recentemente na revista científica Avanços da Ciência . Além da cavidade do spaser e do material de ganho, os pesquisadores também incluíram um amplificador que usa pontos quânticos para aumentar ainda mais o brilho do feixe de plasmon de superfície, uma vez que sai da cavidade.

p O amplificador tem uma forma triangular, de modo que os plasmons não sejam apenas amplificados, mas também focado em uma ponta do tamanho de um nanômetro. Lá, as ondas eletromagnéticas estão concentradas em um volume muito menor do que o menor tamanho para o qual a luz comum poderia ser focalizada. Este recurso pode ser usado no futuro, por exemplo, para a detecção altamente sensível de moléculas biológicas.

p Em direção a circuitos integrados com spasers

p Agora que eles demonstraram que seu spaser em miniatura funciona, os pesquisadores da ETH já estão trabalhando na próxima etapa lógica. "Nossos métodos de fabricação são muito reproduzíveis e versáteis, então agora podemos pensar em criar circuitos integrados com vários elementos:spasers, amplificadores, regiões de detecção, e assim por diante", diz o professor Norris.

p A nova abordagem tem várias vantagens em comparação com as tentativas anteriores de realizar spasers. As técnicas anteriores usavam uma partícula metálica como cavidade, o que não permitiu a extração do feixe do spaser. O procedimento desenvolvido na ETH utiliza um filme plano com espelhos integrados, o que dá aos pesquisadores mais liberdade de escolha em relação ao tamanho e geometria da cavidade, ao mesmo tempo, permitindo que eles estudem os plasmons de superfície diretamente.