Lasers. Eles são usados ​​para tudo, desde entreter nossos gatos até criptografar nossas comunicações. Infelizmente, lasers podem consumir muita energia e muitos são feitos com materiais tóxicos como arsênico e gálio. Para tornar os lasers mais sustentáveis, novos materiais e mecanismos de lasing devem ser descobertos.

A professora Andrea Armani e sua equipe da Escola de Engenharia USC Viterbi descobriram um novo fenômeno e o usaram para fazer um laser com mais de 40% de eficiência - quase 10 vezes maior do que outros lasers semelhantes. O próprio laser é feito de um anel de vidro em um wafer de silício com apenas um revestimento de monocamada de moléculas de siloxano ancoradas à superfície. Assim, ele melhorou o consumo de energia e é fabricado com materiais mais sustentáveis ​​do que os lasers anteriores.

O trabalho de Armani e seus co-autores Xiaoqin Shen e Hyungwoo Choi do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Família Mork da USC; Dongyu Chen, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da USC Ming Hsieh; e Wei Zhao, do Departamento de Química da Universidade de Arkansas em Little Rock, foi publicado em Nature Photonics .

O laser Raman de superfície é baseado em uma extensão do efeito Raman, que descreve como a interação da luz com um material pode induzir vibrações moleculares que resultam na emissão de luz. Uma característica única deste tipo de laser é que o comprimento de onda emitido não é definido pelas transições eletrônicas do material, mas, em vez disso, é determinado pela frequência vibracional do material. Em outras palavras, a luz laser emitida pode ser facilmente ajustada alterando a luz incidente. Em trabalhos anteriores, pesquisadores fizeram lasers Raman aproveitando o efeito Raman em material "a granel", como fibra óptica e silício.

Os lasers Raman têm uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicações militares, microscopia e imagem, e na medicina para terapia de ablação, um procedimento minimamente invasivo para destruir tecidos anormais, como tumores.

Armani, Presidente Ray Irani da USC em Engenharia Química e Ciência de Materiais, disse que percebeu que uma estratégia diferente poderia fornecer lasers Raman de desempenho ainda mais alto a partir de materiais sustentáveis ​​como o vidro.

"O desafio era criar um laser onde toda a luz incidente fosse convertida em luz emitida, "Armani disse." Em um laser Raman de estado sólido normal, as moléculas estão todas interagindo umas com as outras, reduzindo o desempenho. Para superar isso, precisávamos desenvolver um sistema em que essas interações fossem reduzidas. "

Armani disse que se os lasers Raman convencionais fossem considerados as velhas lâmpadas ineficientes em energia com as quais muitos de nós crescemos, essa nova tecnologia resultaria no equivalente a laser de lâmpadas LED com eficiência energética; um resultado mais brilhante que requer menor entrada de energia.

Equipe interdisciplinar da Armani, composta por químicos, cientistas de materiais e engenheiros elétricos, rapidamente percebeu que eles poderiam projetar este tipo de sistema a laser. Combinando química de superfície e nanofabricação, eles desenvolveram um método para formar precisamente uma única monocamada de moléculas em um nanodispositivo.

"Pense na molécula como se fosse uma árvore, "Armani disse." Se você ancorar a base da molécula ao dispositivo, como uma raiz em uma superfície, o movimento da molécula é limitado. Agora, não pode simplesmente vibrar em qualquer direção. Descobrimos que, ao restringir o movimento, você realmente aumenta a eficiência de seu movimento, e como resultado, sua capacidade de atuar como um laser. "

As moléculas são fixadas à superfície de um anel de vidro fotônico integrado, que confina uma fonte de luz inicial. A luz dentro do anel excita as moléculas restritas à superfície, que posteriormente emitem a luz do laser. Notavelmente, a eficiência é melhorada quase 10 vezes, mesmo que haja menos material.

"As moléculas de superfície restrita permitem um novo processo, chamado Raman Estimulado por Superfície, acontecer, "disse Xiaoqin Shen, o co-autor principal do artigo com Hyungwoo Choi, "Este novo processo de superfície aumenta a eficiência do laser."

Adicionalmente, assim como lasing Raman convencional, simplesmente mudando o comprimento de onda da luz dentro do anel, o comprimento de onda de emissão das moléculas mudará. Essa flexibilidade é uma das razões pelas quais os lasers Raman - e agora os lasers Raman Estimulados por Superfície - são tão populares em vários campos, incluindo defesa, diagnósticos, e comunicações.

Armani disse que a equipe conseguiu ligar as moléculas à superfície do anel de vidro, aproveitando os grupos de moléculas de hidroxila na superfície, entidades com a fórmula OH, que contêm oxigênio ligado ao hidrogênio, usando um processo denominado química de superfície de silanização. Esta reação forma uma única monocamada de moléculas individuais precisamente orientadas.

A descoberta é um projeto de paixão para Armani; aquele que ela vem perseguindo desde seus dias como Ph.D. estudante.

"Esta é uma questão que venho querendo analisar há algum tempo, mas simplesmente não era a hora certa, o lugar certo e a equipe certa para responder, " ela disse.

Armani disse que a pesquisa tem o potencial de reduzir significativamente a potência de entrada necessária para operar os lasers Raman, bem como impactar várias outras aplicações.

"O efeito Raman é fundamental, Comportamento científico vencedor do Prêmio Nobel descoberto originalmente no início do século 20, "Armani disse." A ideia de contribuir com algo novo para este campo rico é muito gratificante. "