Uma equipe de pesquisa internacional encontrou uma maneira de tornar a conversão de frequência da luz em nanoescala 100 vezes mais eficiente. O novo método é baseado em nanopartículas dielétricas isoladas que suportam os chamados estados ligados no continuum. Tais estados aparecem quando campos radiantes na partícula se suprimem, para que a energia eletromagnética dentro da partícula possa ser capturada. Essa previsão pode ser empregada para uma nova geração de minúsculos dispositivos de conversão de frequência chamados nanolasers. A pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física em 19 de julho, 2018.

Um dos principais problemas da nanofotônica não linear é a conversão de frequência da radiação eletromagnética em nanoescala. Ao alterar a frequência, a radiação pode ser convertida de uma banda espectral para outra:de terahertz para infravermelho, e de infravermelho para visível. Esta transformação pode ser realizada de forma eficaz por dispositivos macroscópicos, mas é um desafio conseguir a conversão de frequência em nanoescala.

A interação das nanopartículas com a luz é bastante especial devido ao seu tamanho muito pequeno. Portanto, a fim de aumentar a eficiência da conversão de frequência da luz em nanoescala, é necessário reduzir as perdas de energia durante os principais processos que ocorrem na nanopartícula:entrada de radiação, confinamento de energia, e conversão não linear.

Para resolver todos esses problemas, uma equipe internacional de físicos da Universidade ITMO, Nonlinear Physics Centre da Australian National University, e a Universidade de Brescia, na Itália, propôs o uso de novos ressonadores em nanoescala. Eles são, em essência, nanopartículas dielétricas em forma de disco com um alto índice de refração que suportam os chamados estados ligados no contínuo. Tais estados podem ser criados quando vários tipos de oscilações de energia eletromagnética na partícula se suprimem mutuamente. Desta maneira, a energia da luz pode ser "bloqueada" dentro da partícula.

Matematicamente, a energia pode ser bloqueada para sempre, desde que os ressonadores sejam absolutamente ideais. Na prática, é possível capturar luz para um finito, ainda muito tempo, mesmo em uma única nanopartícula. Isso requer uma proporção ideal da forma da partícula, Tamanho, e material.

"Embora tenhamos descrito esses nanorressonadores dielétricos peculiares anteriormente, ainda não analisamos suas perspectivas práticas. Agora, junto com nossos colegas italianos Dr Luca Carletti e Prof Constantino De Angelis, calculamos como esse ressonador gera a luz com frequência dupla. Os resultados mostram que essa estrutura ajuda a aumentar a eficiência dos processos não lineares em duas ordens de magnitude. Contudo, isso não foi tão fácil, pois tínhamos que encontrar a maneira ideal de bombear a energia para o ressonador. Descobrimos que, em nosso caso, a onda incidente deve ser polarizada de forma que oscile ao longo da tangente ao círculo. Isso coincide com a estrutura do campo eletromagnético dentro da partícula, "diz Kirill Koshelev, um membro do Laboratório Internacional de Metamaterial da Universidade ITMO.

Como resultado, a equipe de pesquisa conseguiu atingir uma eficiência recorde de duplicação de frequência de luz com nanopartículas dielétricas. Agora, em vez de uma centésima parte de um por cento, é possível economizar até vários por cento da energia da luz durante a conversão. Este resultado abre caminho para a detecção experimental de radiação convertida por uma nanopartícula, o que significa que o método proposto pode ser usado em aplicações práticas.

"Sugerimos um projeto de conversores de luz em nanoescala que podem ser usados ​​para várias aplicações. Por exemplo, eles podem ser usados ​​em dispositivos de óptica plana de visão noturna que convertem a radiação infravermelha em luz visível. Ao mesmo tempo, o material dielétrico que escolhemos, arsenieto de alumínio-gálio, tem tecnologia de fabricação madura. Uma vez que o material está amplamente disponível, esperamos que nossa ideia e previsões impulsionem o progresso em nanofotônica não linear e meta-óptica, "diz o professor Yuri Kivshar, co-presidente do Departamento de Nanofotônica e Metamateriais da ITMO University e também distinto professor da Australian National University.