Pesquisadores em Eindhoven desenvolveram um novo tipo de baixo consumo de energia, laser em nanoescala que brilha em todas as direções. A chave para sua emissão de luz omnidirecional é a introdução de algo que geralmente é altamente indesejável em nanotecnologia:irregularidades nos materiais. Os pesquisadores prevêem uma vasta gama de aplicações potenciais, mas, primeiro, eles esperam que seu trabalho fundamental inspire outros a melhorá-lo e aprofundar o entendimento. Os resultados são publicados na revista Cartas de revisão física .

A falta de controle das variáveis ​​que determinam a resposta de um sistema costuma ser vista como uma maldição na ciência e na tecnologia. Mas que tal uma leve pitada de imperfeição e desordem? Imperfeições e irregularidades são inevitáveis ​​na nanociência devido ao nosso nível limitado de controle dos processos de nanofabricação. A desordem é potencialmente prejudicial para os nanossistemas, mas se bem contido, desordem pode não ser um intruso, afinal, levando a novos conceitos físicos e aplicações.

Cientistas da Universidade de Tecnologia de Eindhoven (TU / e) e do Instituto Holandês para Pesquisa de Energia Fundamental (DIFFER) investigaram o papel das imperfeições e da desordem nos nanolasers. Ao introduzir um leve grau de desordem, eles observaram uma mudança dramática:o laser não emite mais em uma direção específica, mas em todas as direções.

O desenvolvimento de lasers em nanoescala (menores que a espessura de um cabelo humano) é um campo de pesquisa muito ativo. Em um laser normal, cada fóton (partícula de luz) é 'clonado' muitas vezes em um meio que está localizado dentro de uma cavidade (por exemplo, um par de espelhos entre os quais o fóton se move para frente e para trás produzindo outros fótons com as mesmas características). Este processo é conhecido como Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação (LASER). Para atingir a emissão de laser, uma corrente elétrica é geralmente injetada através do meio, ou é iluminado com luz de alta energia. A energia mínima necessária para a emissão de um laser é chamada de limite de laser.

Um tipo diferente de laser é o chamado laser de polariton. Isso funciona com o princípio de não clonar fótons, mas fazer fótons não idênticos idênticos, da mesma forma que as moléculas de vapor de água, movendo-se em todas as direções com velocidades diferentes, são condensados ​​em uma única gota. A condensação de fótons dá origem à característica de emissão intensa e direcional de um laser. Uma vantagem importante dos lasers polariton é que eles têm um limiar de laser muito mais baixo, o que os torna excelentes candidatos para muitas aplicações.

Contudo, um grande problema dos lasers polariton é que eles precisam operar em temperaturas muito baixas (como a condensação de vapor que ocorre apenas quando a temperatura é reduzida), mas usando materiais orgânicos, é possível obter emissão de laser polariton mesmo à temperatura ambiente. Os pesquisadores de Eindhoven demonstraram no ano passado que podem realizar lasers polariton em nanoescala que funcionam à temperatura ambiente, usando nanopartículas metálicas em vez de espelhos como em lasers normais.

Os pesquisadores do TU / e-DIFFER descobriram agora um novo tipo de laser polariton que consiste em um padrão regular de nano-tiras de prata cobertas com polímero PMMA colorido cujo corante compreende moléculas emissoras orgânicas. Contudo, as listras prateadas têm deliberadamente algum grau de imperfeição e desordem. A emissão deste nanolaser não perfeito é omnidirecional e é determinada principalmente pelas propriedades das moléculas orgânicas. Este resultado não é esperado no quadro de condensação, já que a emissão omnidirecional requer emissões de moléculas orgânicas independentes, em vez da emissão coletiva típica da condensação. A demonstração da emissão omnidirecional define novos limites para o desenvolvimento de lasers em nanoescala em temperatura ambiente.

Os pesquisadores acham que seu laser pode eventualmente ser aplicado em muitas áreas. Comparado a um LED, a luz do laser omnidirecional é muito mais brilhante e melhor definida. É por isso que é um bom candidato para iluminação de microscopia, que atualmente usa LEDs. LIDAR (Detecção e alcance de imagens a laser) é outra aplicação potencial. O LIDAR atual usa um ou mais lasers e um conjunto de espelhos que se movem rapidamente para cobrir grandes áreas para a imagem de objetos distantes. Um laser omnidirecional não requer espelhos móveis, reduzindo significativamente a complexidade. E também a iluminação geral é uma opção, diz o pesquisador principal, o professor Jaime Gomez Rivas. "Mas a pesquisa ainda é muito fundamental. Esperamos que nossos resultados estimulem outros pesquisadores a melhorá-los, reduzindo ainda mais o limiar de laser ou aumentando a gama de cores emitidas."

O grupo de pesquisa responsável por este trabalho investiga a interação luz-matéria potencializada por estruturas ressonantes, como nanopartículas metálicas e superfícies estruturadas. O forte acoplamento de matéria leve leva a novos fenômenos fundamentais que podem ser explorados para adequar as propriedades do material. O grupo faz parte do grupo de capacitação em Fotônica e Nanofísica de Semicondutores do departamento de Física Aplicada e do "Instituto de Fotônica Integrada" da Universidade de Tecnologia de Eindhoven (TU / e), e anteriormente parte do Instituto Holandês para Pesquisa de Energia Fundamental (DIFFER), onde o trabalho experimental neste artigo foi realizado.