Os lasers estão por toda parte. Os dispositivos que os utilizam transmitem informações e possibilitam a existência de comunicações de longa distância e da internet; auxiliam médicos que realizam cirurgias e engenheiros que fabricam ferramentas e tecnologias avançadas; e no dia-a-dia, encontramos lasers enquanto escaneamos nossos mantimentos e assistimos a DVDs. “Nos 60 e poucos anos desde que foram inventados, os lasers transformaram absolutamente nossas vidas”, disse Giulio Cerullo, pesquisador de óptica não linear do Politecnico di Milano, na Itália.
Hoje, com a ajuda de novas pesquisas de Cerullo e colaboradores da Columbia University publicadas na Nature Photonics , os dispositivos que usam lasers estão prestes a se tornar muito menores.

Trabalhando no laboratório do engenheiro James Schuck em Columbia, Ph.D. A estudante Xinyi Xu e a pós-doutoranda Chiara Trovatello estudaram um material 2D chamado dissulfeto de molibdênio (MoS₂ ). Eles caracterizaram a eficiência dos dispositivos construídos a partir de pilhas de MoS₂ menos de um mícron de espessura – que é 100 vezes mais fino do que um fio de cabelo humano – converte frequências de luz em comprimentos de onda de telecomunicações para produzir cores diferentes.

Esta nova pesquisa é um primeiro passo para substituir os materiais padrão usados ​​nos lasers sintonizáveis ​​de hoje, que são medidos em milímetros e centímetros, disse Trovatello, que recentemente concluiu seu doutorado. com Cerullo em Milão. "A óptica não linear é atualmente um mundo macroscópico, mas queremos torná-lo microscópico", disse ela.

Os lasers emitem um tipo especial de luz coerente, o que significa que todos os fótons no feixe compartilham a mesma frequência e, portanto, a mesma cor. Os lasers operam apenas em frequências específicas, mas os dispositivos geralmente precisam ser capazes de implantar diferentes cores de luz laser. Por exemplo, um ponteiro laser verde é realmente produzido por um laser infravermelho que é convertido em uma cor visível por um material macroscópico. Os pesquisadores usam técnicas ópticas não lineares para alterar a cor da luz do laser, mas os materiais usados ​​convencionalmente precisam ser relativamente espessos para que a conversão de cores ocorra de forma eficiente.

MoS₂ é um dos exemplos mais estudados de uma classe emergente de materiais chamados dicalcogenetos de metais de transição, que podem ser descascados em camadas atomicamente finas. Camadas únicas de MoS₂ podem converter frequências de luz com eficiência, mas na verdade são muito finas para serem usadas na construção de dispositivos. Cristais maiores de MoS_2, enquanto isso, tendem a ser mais estáveis ​​em uma forma sem conversão de cores. Para fabricar os cristais necessários, conhecidos como 3R-MoS₂ , a equipe trabalhou com o fornecedor comercial de materiais 2D HQ Graphene.

Com 3R-MoS₂ na mão, Xu começou a descascar amostras de espessura variável para testar a eficiência com que convertiam a frequência da luz. Imediatamente, os resultados foram espetaculares. "Raramente na ciência você começa em um projeto que acaba funcionando melhor do que você espera - geralmente é o oposto. Este foi um caso raro e mágico", observou Schuck. Normalmente, são necessários sensores especiais para registrar a luz produzida por uma amostra e isso leva algum tempo, explicou Xu. "Com 3R-MoS₂ , pudemos ver o aprimoramento extremamente grande quase imediatamente", disse ele. Notavelmente, a equipe registrou essas conversões em comprimentos de onda de telecomunicações, um recurso importante para possíveis aplicações de comunicações ópticas, como fornecimento de serviços de internet e televisão.

Em um feliz acidente durante uma varredura, Xu se concentrou em uma borda aleatória de um cristal e viu franjas que sugeriam que modos de guia de onda estavam presentes dentro do material. Os modos de guia de onda mantêm fótons de cores diferentes, que de outra forma se movem em velocidades diferentes pelo cristal, em sincronia, e podem ser usados ​​para gerar os chamados fótons emaranhados, um componente-chave das aplicações de óptica quântica. A equipe entregou seus dispositivos ao laboratório do físico Dmitri Basov, onde seu pós-doutorando Fabian Mooshammer confirmou seu palpite.

Atualmente, o cristal mais popular para conversão guiada por ondas e geração de fótons emaranhados é o niobato de lítio, um material duro e rígido que precisa ser bastante espesso para alcançar eficiências de conversão úteis. 3R-MoS₂ é igualmente eficiente, mas 100 vezes menor e flexível o suficiente para ser combinado com plataformas fotônicas de silício para criar circuitos ópticos em chips, seguindo a trajetória de eletrônicos cada vez menores.

Com este resultado de prova de conceito, o gargalo para aplicações da vida real é a produção em larga escala de 3R-MoS₂ e estruturação de dispositivos de alto rendimento. Lá, diz a equipe, a indústria precisará assumir o controle. Com este trabalho, eles esperam ter demonstrado a promessa de materiais 2D.

"Trabalho em óptica não linear há mais de trinta anos. A pesquisa é na maioria das vezes incremental, construindo lentamente o que veio antes. É raro que você faça algo completamente novo com grande potencial", disse Cerullo. "Tenho a sensação de que este novo material pode mudar o jogo." + Explorar mais

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