De microscópios a transferência de dados por meio de fibras ópticas até as modernas tecnologias quânticas, a luz desempenha um papel importante na ciência e na indústria. Particularmente, os métodos para alterar a cor - e, portanto, a frequência e o comprimento de onda - da luz são de grande importância nas aplicações modernas. Esses métodos requerem o uso de cristais não lineares. Em tais cristais, dois fótons de uma determinada frequência podem, por exemplo, ser transformado em um fóton com o dobro dessa frequência - digamos, dois vermelhos em um único azul.

Para que funcione, Contudo, a luz normalmente tem que atingir o cristal em uma direção específica e com uma polarização específica. Essa assim chamada combinação de fase freqüentemente limita severamente as aplicações práticas. Uma equipe de pesquisadores liderada pela professora da ETH Rachel Grange no Institute for Quantum Electronics, junto ao grupo de Lucio Isa no Departamento de Materiais, desenvolveram agora um método pelo qual a duplicação de frequência eficiente pode ser obtida sem tal ajuste fino, e que também apresenta outras vantagens em relação aos métodos convencionais.

Abordagens aparentemente irreconciliáveis

A receita dos pesquisadores pode ser resumida assim:mais pequena do que grande, e uma bagunça é melhor do que ordem. Isso parece misterioso, mas a tarefa que a equipe de Grange se propôs era um enigma igualmente grande:"Para uma duplicação de frequência melhor e mais amplamente aplicável, queríamos combinar duas abordagens que realmente não se encaixam, "diz Romolo Savo, que liderou o projeto como pós-doutorado no âmbito de uma bolsa Marie-Skłodowska-Curie.

Na primeira abordagem, em vez de um único cristal grande, usa-se um conjunto de lotes de minicristais cujos eixos de cristal individuais apontam em direções aleatórias. Dessa forma, não é mais necessário controlar estritamente as direções dos feixes de luz que chegam. Entre os muitos minicristais, haverá alguns que são orientados favoravelmente e alguns que são orientados desfavoravelmente, mas, no geral, eles sempre produzirão uma quantidade significativa de luz com freqüência duplicada. "Parece contra-intuitivo, "Savo admite, "e alguns de nossos colegas ficaram realmente intrigados com a ideia de usar a desordem dessa forma - mas funciona!"

A segunda abordagem é baseada na ação intensificadora das ressonâncias. Se a montagem dos minicristais for esférica, por exemplo, com um diâmetro aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz, a intensidade dentro da esfera é aumentada pela reflexão repetida das ondas de luz das paredes da esfera, e, portanto, também o rendimento da luz de frequência dobrou. Portanto, para fazer o uso ideal de ambos os efeitos ao mesmo tempo, os pesquisadores queriam moldar um pó cristalino desordenado em esferas do tamanho de um micrômetro para explorar o aumento ressonante da luz. Os cristais individuais de titanato de bário que pretendiam usar para esse fim deveriam ser muito pequenos, apenas cerca de 50 nanômetros de tamanho, de modo que eram transparentes o suficiente para permitir que a luz passasse por eles muitas vezes e, assim, criar ressonâncias nas microesferas.

Uma dica durante a pausa para o café

"Então, tivemos uma grande ideia, mas nenhuma pista de como transformar os muitos nanocristais minúsculos em microesferas perfeitas, "diz Savo." Então, um dia, conhecemos Lucio Isa no intervalo do café e contamos a ele sobre nosso problema - e ele teve uma ideia para nós ali mesmo. "A sugestão de Isa foi dissolver o pó do nanocristal em água, misture a solução com óleo, e finalmente sacudir tudo vigorosamente - da mesma forma que se faria com um vinagrete feito de vinagre e óleo. Dentro da emulsão criada por esse processo, pequenas bolhas da solução de cristal de água se formarão, a partir do qual a água evapora gradualmente através do óleo. No fim, pequeno, esferas perfeitamente moldadas de nanocristais desordenados permanecem, que é exatamente o que Grange e seus colaboradores queriam. "A partir dessa dica, a colaboração com o grupo de Isa começou, "diz Grange:" Aliás, tais colaborações espontâneas, que não foi planejado de antemão, costumam ser os mais frutíferos. Claro, imediatamente experimentamos a receita de Isa. "

Versatilidade mais economia de material

E a receita funcionou - ainda melhor do que se poderia esperar. "A duplicação da frequência com as pequenas esferas feitas de nanocristais desordenados funciona independentemente da direção da luz que entra, bem como em uma ampla faixa de frequências. Isso o torna muito mais versátil do que a duplicação da frequência com cristais convencionais, "Savo explica. Além disso, os pesquisadores obtiveram o mesmo rendimento de luz com freqüência duplicada usando 70% menos material. Ao contrário dos cristais comuns, para o qual a produção de luz para de crescer além de um certo tamanho, continuou a aumentar com o volume das microesferas.

Cristais de laser de alta qualidade em pó

Grange e seus colegas agora querem melhorar ainda mais seu método, por exemplo, adicionando um espaçador entre as microesferas e a lâmina de vidro na qual elas se encontram. Isso deve minimizar as perdas de luz. Os pesquisadores também começaram a pensar em possíveis aplicações. A perspectiva de produzir cristais não lineares de alto desempenho a partir de um pó nanocristal simples e barato é interessante para tecnologias de laser em geral. Também, é possível espalhar as microesferas em grandes áreas. Isso poderia levar à produção de um novo tipo de display que converte diretamente as imagens na faixa do infravermelho em imagens visíveis por meio da duplicação da frequência. Esses monitores poderiam então ser usados ​​em câmeras para aplicações de segurança e ciências biológicas.