Uma equipe internacional de pesquisadores da ITMO University, a Australian National University, e a Universidade da Coreia capturaram experimentalmente uma onda eletromagnética em um nanorressonador de arseneto de gálio com algumas centenas de nanômetros de tamanho por um tempo recorde. As tentativas anteriores de capturar a luz por um longo tempo só tiveram sucesso com ressonadores muito maiores. Além disso, os pesquisadores forneceram provas experimentais de que este ressonador pode ser usado como base para um nanoconversor de frequência de luz eficiente. Os resultados desta pesquisa despertaram grande interesse da comunidade científica e foram publicados em Ciência , uma das principais revistas acadêmicas do mundo. Os cientistas fizeram sugestões sobre oportunidades drasticamente novas para ótica de comprimento de onda e nanofotônica - incluindo o desenvolvimento de sensores compactos, dispositivos de visão noturna, e tecnologias de transmissão óptica de dados.

O problema de manipulação das propriedades das ondas eletromagnéticas em nanoescala é de suma importância na física moderna. Usando luz, podemos transferir dados por longas distâncias, registrar e ler dados, e realizar outras operações críticas para o processamento de dados. Para fazer isso, a luz precisa ser presa em um pequeno espaço e mantida lá por um longo período de tempo, que é algo que os físicos só conseguiram fazer com objetos de tamanho significativo, maior do que o comprimento de onda da luz. Isso limita o uso de sinais ópticos em optoeletrônica.

Dois anos atrás, uma equipe de pesquisa internacional da ITMO University, a Australian National University, e o Ioffe Institute tinha teoricamente previsto um novo mecanismo que permite aos cientistas capturar luz em ressonadores em miniatura muito menores do que o comprimento de onda da luz e medidos em centenas de nanômetros. Contudo, até recentemente, ninguém havia implementado o mecanismo na prática.

Uma equipe internacional de pesquisadores da ITMO University, a Australian National University, e a Universidade da Coreia foi montada para provar essa hipótese. Primeiro, eles desenvolveram o conceito:o arsenieto de gálio foi escolhido como o material principal, sendo um semicondutor com alto índice de refração e forte resposta não linear na faixa do infravermelho próximo. Os pesquisadores também decidiram sobre a forma ideal para o ressonador que capturasse com eficiência a radiação eletromagnética.

Para capturar a luz de forma eficiente, o raio deve ser refletido dos limites internos do objeto tantas vezes quanto possível, sem escapar do ressonador. Pode-se supor que a melhor solução seria tornar o objeto o mais complexo possível. De fato, é exatamente o oposto:quanto mais planos um corpo tem, o mais provável é que a luz escape. A forma quase ideal para este caso era um cilindro, que possui o número mínimo de limites. Uma questão que ainda precisava ser resolvida era qual proporção entre o diâmetro e a altura seria mais eficaz para capturar a luz. Depois de cálculos matemáticos, a hipótese teve que ser confirmada experimentalmente.

"Usamos arsenieto de gálio para criar cilindros com cerca de 700 nanômetros de altura e diâmetros variados próximos a 900 nanômetros. Eles são quase invisíveis a olho nu. Como nossos experimentos mostraram, a partícula de referência capturou luz por um tempo superior a 200 vezes o período de uma oscilação de onda. Usualmente, para partículas desse tamanho, a proporção é de cinco a dez períodos de oscilações de onda. E obtivemos 200! "diz Kirill Koshelev, o primeiro co-autor do artigo.

Os cientistas dividiram seu estudo em duas partes:uma é uma confirmação experimental da teoria expressa anteriormente, e o outro é um exemplo de como esses ressonadores podem ser usados. Por exemplo, a armadilha foi utilizada para um nanodispositivo capaz de mudar a frequência, e, portanto, cor, de uma onda de luz. Ao passar por este ressonador, o feixe infravermelho ficou vermelho, tornando-se visível ao olho humano.

A conversão de frequência de oscilações eletromagnéticas não é a única aplicação para esta tecnologia. Ele também tem aplicações potenciais em vários dispositivos de detecção e até mesmo revestimentos de vidro especiais que tornariam possível a produção de visão noturna colorida.

"Se o ressonador for capaz de capturar a luz de maneira eficiente, em seguida, colocando, dizer, uma molécula próxima a ela aumentará a eficiência da interação da molécula com a luz em uma ordem de magnitude, e a presença de até mesmo uma única molécula pode ser facilmente detectada experimentalmente. Este princípio pode ser usado no desenvolvimento de biossensores altamente sensíveis. Devido à capacidade dos ressonadores de modificar o comprimento de onda da luz, eles podem ser usados ​​em dispositivos de visão noturna. Afinal, mesmo na escuridão, existem ondas infravermelhas eletromagnéticas que não são vistas pelo olho humano. Ao transformar seu comprimento de onda, podíamos ver no escuro. Tudo o que você precisa fazer é aplicar esses cilindros nos vidros ou no para-brisa de um carro. Eles seriam invisíveis a olho nu, mas ainda nos permitem ver muito melhor no escuro do que podemos por conta própria, "explica Kirill Koshelev.

Além do arsenieto de gálio, tais armadilhas podem ser feitas usando outros dielétricos ou semicondutores, tal como, por exemplo, silício, que é o material mais comum na microeletrônica moderna. Também, a forma ideal para captura de luz, ou seja, a razão entre o diâmetro de um cilindro e sua altura, pode ser ampliado para criar armadilhas maiores.