Um ponteiro laser multicolorido que você pode usar para alterar a cor do laser com um clique de botão - semelhante a uma caneta esferográfica multicolorida - está um passo mais perto da realidade graças a um novo minúsculo material sintético feito no Sandia National Laboratories.

Um ponteiro laser chamativo pode ser divertido de imaginar, mas mudar a cor de um laser tem muitos outros usos, desde descobrir sítios arqueológicos escondidos em florestas densas e detectar sinais de vida extraterrestre no ar até potencialmente acelerar e aumentar a capacidade de comunicação de longa distância por meio de redes de fibra óptica.

A pesquisa sobre o novo metamaterial de mistura de luz foi publicada em Nature Communications hoje mais cedo. O trabalho foi liderado pelo Cientista Sênior Sandia Igal Brener, juntamente com colaboradores da Friedrich Schiller University Jena. O artigo relata como um metamaterial composto de uma matriz de nanocilindros misturou dois pulsos de laser de luz infravermelha próxima para produzir 11 ondas de luz que variam na cor do infravermelho próximo, através das cores do arco-íris, para ultravioleta.

Um metamaterial é um material feito de minúsculos, repetir estruturas que interagem com ondas eletromagnéticas de uma forma que os materiais convencionais não podem. As estruturas são muito menores do que o comprimento de onda da luz para o qual foram projetadas. Eles são um tanto semelhantes às estruturas naturais que dão às asas azuis da borboleta morfo sua iridescência espetacular. As asas têm escamas com pequenas estruturas repetidas, que refletem a luz para produzir a cor azul.

Metamaterial mistura luz para produzir 11 novos comprimentos de onda

Para este mixer óptico, a matriz de nanocilindros é feita de arseneto de gálio, um semicondutor usado em muitos tipos de eletrônicos. Curvas de arsenieto de gálio, ou refrata, leve fortemente, que é essencial para este tipo de metamaterial, disse Brener. Cada nanocilindro tem cerca de 500 nanômetros de altura - ou 100 vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano - com um diâmetro de cerca de 400 nanômetros. Eles são dispostos em um padrão quadrado com cerca de 840 nanômetros de distância um do outro.

Maneiras atuais de misturar luz, como aqueles usados ​​para ponteiros laser verdes, use cristais especialmente criados para alinhar perfeitamente as ondas de luz para permitir a mistura, disse Brener. Isso é chamado de correspondência de fase. Por causa das regras físicas, cada cristal só pode combinar eficientemente as fases de uma cor de luz que entra para produzir uma cor de luz diferente. O metamaterial de Sandia funciona de uma maneira completamente diferente.

Em vez de, a equipe selecionou dois lasers infravermelhos próximos com comprimentos de onda sintonizados nas frequências ressonantes do metamaterial, ou os comprimentos de onda que melhor saltam dentro dos nanocilindros, disse Polina Vabishchevich, uma Sandia nomeada pós-doutorado e primeira autora do artigo. A luz desses dois lasers - chame-os de frequências A e B - se mistura para produzir 11 cores de diferentes produtos de mistura, incluindo A + A, A + B, B + B, A + A + B, e A + B + B, entre outros produtos de mistura complexos.

"Com este dispositivo minúsculo e dois pulsos de laser, fomos capazes de gerar 11 novas cores ao mesmo tempo, o que é tão legal, "disse Vabishchevich." Não precisamos mudar os ângulos ou as fases do jogo. "

O metamixer óptico tem potencial para aplicações de pesquisa generalizadas

O metamaterial foi feito usando processos emprestados da fabricação de dispositivos semicondutores. Esta fabricação foi realizada em várias instalações da Sandia, incluindo a Engenharia de Microsistemas da Sandia, Ciências, e complexo de aplicações e o Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência operada em conjunto com o Laboratório Nacional de Los Alamos.

“Se não tivéssemos acesso à instrumentação que temos na Sandia, esta pesquisa teria sido impossível, "disse Brener." Sem o sistema de laser de femtosegundo especializado da CINT, seria muito desafiador realizar essas medições. ”Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo e os lasers de femtossegundo produzem uma luz poderosa.

Embora a eficiência de conversão do metamixer óptico seja muito baixa - por exemplo, a luz vermelho-laranja resultante é muito fraca em comparação com a luz de entrada - Brener acredita que a eficiência pode ser bastante melhorada com trabalho posterior, talvez empilhando várias camadas de metamaterial.

Muitos tipos diferentes de pesquisa química e biológica, desde o uso de microscópios especializados para estudar como as doenças escapam do sistema imunológico ao estudo da química da combustão para melhorar a eficiência do veículo, requerem luz em comprimentos de onda específicos. Este metamixer óptico pode converter a luz de lasers para um novo comprimento de onda onde um laser pode não estar disponível ou permitir que os pesquisadores mudem de um comprimento de onda para outro sem ter que comprar um laser diferente, disse Brener.

Comutável, lasers sintonizáveis ​​também podem ser úteis na área biológica, pesquisas químicas e atmosféricas; sensoriamento remoto; comunicação baseada em fibra óptica; até mesmo a óptica quântica.