Uma equipe liderada por físicos da Universidade de Utah descobriu como consertar um grande problema que ocorre em lasers feitos de um novo tipo de material chamado pontos quânticos. O fenômeno nunca antes visto será importante para um campo emergente de pesquisa fotônica, incluindo um dia fazendo micro-chips que codificam informações usando luz em vez de elétrons.

O estudo foi publicado em 4 de fevereiro, 2019, no jornal Nature Communications .

Lasers são dispositivos que amplificam a luz, frequentemente produzindo um único, feixe estreito de luz. A força do feixe depende do material com o qual o laser foi construído; a luz passa pelo material, que produz um feixe feito de ondas de luz, todas com comprimentos de onda semelhantes, concentrando muita energia em uma pequena área. Essa propriedade do material de ser capaz de amplificar a energia do feixe é chamada de “ganho”.

Muitos cientistas estão construindo lasers com pontos quânticos. Os pontos quânticos são minúsculos cristais de materiais semicondutores que crescem para tamanhos de apenas cerca de 100 átomos de diâmetro. O tamanho dos cristais determina o comprimento de onda do feixe de luz, da luz azul para a luz vermelha e até mesmo para o infravermelho.

As pessoas estão interessadas em lasers de pontos quânticos porque eles podem ajustar propriedades simplesmente fazendo crescer os cristais em diferentes tamanhos, usando diferentes materiais semicondutores e escolhendo diferentes formas e tamanhos de lasers. A desvantagem é que os lasers de pontos quânticos geralmente contêm defeitos minúsculos que dividem a luz em vários comprimentos de onda, que distribui a energia do feixe e o torna menos poderoso. Idealmente, você deseja que o laser concentre a potência em um comprimento de onda.

O novo estudo buscou corrigir esse defeito. Primeiro, colaboradores do Instituto de Tecnologia da Geórgia fizeram 50 lasers de pontos quânticos microscópicos em forma de disco de seleneto de cádmio. A equipe U então mostrou que quase todos os lasers individuais tinham defeitos que dividiam os comprimentos de onda dos feixes.

Os pesquisadores então acoplaram dois lasers para corrigir a divisão do comprimento de onda. Eles colocam um laser com ganho total, que descreve a quantidade máxima de energia possível. Para obter ganho total, os cientistas deram uma luz verde, chamada de luz de "bomba", no primeiro laser. O material do ponto quântico absorveu a luz e reemitiu um feixe de luz vermelha mais poderoso. Quanto mais forte a luz verde que eles incidiram sobre o laser, quanto maior o ganho de energia. Quando o segundo laser não teve ganho, a diferença entre os dois lasers impedia qualquer interação, e a divisão ainda ocorreu. Contudo, quando a equipe apontou uma luz verde para o segundo laser, seu ganho aumentou, fechando a diferença de ganho entre os dois lasers. Uma vez que o ganho nos dois lasers se tornou semelhante, a interação entre os dois lasers corrigiu a divisão e concentrou a energia em um único comprimento de onda. Esta é a primeira vez que alguém observa esse fenômeno.

As descobertas têm implicações para um novo campo, chamada pesquisa de óptica e fotônica. Nos últimos 30 anos, pesquisadores têm experimentado o uso de luz para transportar informações, em vez de elétrons usados ​​na eletrônica tradicional. Por exemplo, em vez de colocar muitos elétrons em um microchip para fazer um computador funcionar, alguns imaginam usar luz em seu lugar. Lasers seriam uma grande parte disso e corrigir a divisão do comprimento de onda pode fornecer um benefício significativo para controlar a informação através da luz. Também poderia ser uma grande vantagem usar materiais como pontos quânticos neste campo.

"Não é impossível que alguém possa fazer um laser sem defeitos com pontos quânticos, mas seria caro e demorado. Em comparação, o acoplamento é mais rápido, mais flexível, maneira econômica de corrigir o problema, "disse Evan Lafalce, professor assistente de pesquisa de física e astronomia na U e principal autor do estudo. "Este é um truque para que não tenhamos que fazer lasers de pontos quânticos perfeitos."