Imagem de microscópio eletrônico mostrando um detalhe de um anel projetado com defeito. A fenda de ar atua como um ponto de reflexão no guia de ondas, induzir ondas de propagação contrária. Crédito:Escola Harvard John A. Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas
Todos nós já experimentamos turbulência no ar e na água, mas você sabia que a luz também pode ser turbulenta?
Uma equipe internacional de pesquisadores, liderado por Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), aproveitaram a turbulência da luz para criar um tipo específico de laser de alta precisão, conhecido como um pente de frequência de laser, em um sistema anteriormente considerado incapaz de produzir tal laser. A descoberta pode ser usada em uma nova geração de dispositivos para aplicações como espectroscopia óptica e sensoriamento.
A pesquisa é publicada em Natureza .
Os pentes de frequência são ferramentas amplamente utilizadas para detectar e medir diferentes frequências de luz com uma precisão única. Ao contrário dos lasers convencionais, que emitem uma única frequência, esses lasers emitem várias frequências em sincronia, espaçados uniformemente para se parecer com os dentes de um pente. Hoje, eles são usados em tudo, desde monitoramento ambiental e sensoriamento químico até a busca por exoplanetas, comunicações ópticas e metrologia e temporização de alta precisão.
Capasso e sua equipe no SEAS têm trabalhado para tornar esses dispositivos mais eficientes e compactos para aplicações que incluem telecomunicações e detecção portátil.
Em 2019, Capasso e sua equipe descobriram como transmitir sinais sem fio de pentes de frequência a laser, criando o primeiro transmissor de rádio a laser. Os pesquisadores usaram lasers semicondutores em cascata quântica em forma de barras Kit Kat muito pequenas, que gerou pentes de frequência ao rebater a luz de ponta a ponta. Essa luz refletida criou ondas de contra-propagação que interagem umas com as outras para gerar as diferentes frequências do pente. Contudo, esses dispositivos ainda emitiam muita luz que não era usada nas aplicações de radiocomunicação.
"Indo para esta pesquisa, nossa principal questão era como podemos fazer uma geometria melhor para rádios a laser, "disse Marco Piccardo, um ex-bolsista de pós-doutorado no SEAS e primeiro autor do artigo.
Piccardo é atualmente pesquisador do Istituto Italiano di Tecnologia de Milão.
Imagem microscópica de lasers semicondutores monolíticos fabricados com guias de onda. Quando ligado, a luz nesses lasers manifesta um fluxo turbulento, assim como o movimento de uma nuvem tempestuosa. Essa turbulência é a chave para gerar novos pentes de frequência. Crédito:Harvard SEAS
Os pesquisadores voltaram-se para lasers em cascata quântica de anel, que, devido à sua forma circular, pode gerar um laser com perda ótica muito baixa. Contudo, os lasers em anel têm um problema fundamental quando se trata de gerar pentes de frequência:os feixes de luz que viajam em um círculo perfeito se propagam apenas em uma direção, sentido horário ou anti-horário, e, portanto, não pode gerar as ondas de contra-propagação necessárias para formar um pente. Para superar esse problema, os pesquisadores introduziram pequenos defeitos nos anéis e compararam os resultados a um grupo de anéis sem defeitos.
Mas quando os pesquisadores realizaram o experimento, os resultados pegaram todos de surpresa.
Os anéis perfeitos, que teorias da física anteriores diziam que não poderia gerar um pente de frequência, pentes de frequência gerados.
"Quando vimos isso, pensamos que isso é ótimo para nós, porque este é exatamente o tipo de luz que procuramos, apenas não esperávamos encontrá-lo neste experimento em particular. O sucesso parecia contradizer a teoria atual do laser, "disse Benedikt Schwarz, pesquisador da TU Wien em Viena e co-autor do estudo.
Os pesquisadores tentaram explicar como tal fenômeno poderia ocorrer, e eventualmente deparei com turbulência. Em fluidos, a turbulência ocorre quando um fluxo de fluido ordenado se quebra em vórtices cada vez mais pequenos que interagem entre si até que o sistema finalmente se transforma em caos. Na Luz, isso assume a forma de instabilidades de onda, em que uma pequena perturbação fica cada vez maior e eventualmente domina a dinâmica do sistema.
Os pesquisadores descobriram que pequenas flutuações na corrente usada para bombear o laser causavam pequenas instabilidades nas ondas de luz, mesmo em um laser de anel perfeito. Essas instabilidades cresceram e interagiram umas com as outras, exatamente como em um fluido turbulento. Essas interações, então, causaram a ocorrência de um pente de frequência estável.
"Não mudamos apenas a geometria dos pentes de frequência do laser, descobrimos um sistema totalmente novo para criar esses dispositivos, e ao fazer isso, reformulou uma lei fundamental dos lasers, "disse Piccardo.
No futuro, esses dispositivos podem ser usados como microrressonadores eletricamente bombeados em circuitos fotônicos integrados. Os microrressonadores em escala de chip de hoje são passivos, o que significa que a energia precisa ser bombeada opticamente de fora, aumentando o tamanho e a complexidade do sistema. Mas o pente de frequência de laser do anel está ativo, o que significa que pode gerar sua própria luz apenas injetando corrente elétrica nele. Ele também fornece acesso a regiões do espectro eletromagnético que não são cobertas por microrressonadores. Isso pode ser útil em uma variedade de aplicações, como espectroscopia óptica e detecção química.
"Este é um primeiro passo muito importante na conexão de microrressonadores passivos com pentes de frequência ativa, "disse Capasso." Combinar as vantagens desses dois dispositivos pode ter implicações fundamentais e tecnológicas importantes. "
