Pesquisadores de fotônica da Rice University criaram uma tecnologia potencialmente disruptiva para o mercado de óptica ultravioleta.
Ao gravar com precisão centenas de minúsculos triângulos na superfície de um filme microscópico de óxido de zinco, a pioneira da nanofotônica Naomi Halas e seus colegas criaram um "metaleno" que transforma UV de onda longa (UV-A) em uma saída focada de UV a vácuo (VUV ) radiação. O VUV é usado na fabricação de semicondutores, fotoquímica e ciência de materiais e historicamente tem sido caro para trabalhar, em parte porque é absorvido por quase todos os tipos de vidro usados ​​para fazer lentes convencionais.

"Este trabalho é particularmente promissor à luz das recentes demonstrações de que os fabricantes de chips podem aumentar a produção de metasuperfícies com processos compatíveis com CMOS", disse Halas, co-autor correspondente de um estudo de demonstração de metalens publicado em Science Advances . "Este é um estudo fundamental, mas aponta claramente para uma nova estratégia para a fabricação de alto rendimento de componentes e dispositivos ópticos VUV compactos."

A equipe de Halas mostrou que seus metalens microscópicos poderiam converter UV de 394 nanômetros em uma saída focada de VUV de 197 nanômetros. O metalens em forma de disco é uma folha transparente de óxido de zinco que é mais fina que uma folha de papel e tem apenas 45 milionésimos de metro de diâmetro. Na demonstração, um laser UV-A de 394 nanômetros foi aplicado na parte de trás do disco e os pesquisadores mediram a luz que emergiu do outro lado.

A co-autora do estudo, Catherine Arndt, estudante de pós-graduação em física aplicada no grupo de pesquisa de Halas, disse que a principal característica dos metalens é sua interface, uma superfície frontal cravejada de círculos concêntricos de pequenos triângulos.

"A interface é onde toda a física está acontecendo", disse ela. "Na verdade, estamos transmitindo uma mudança de fase, alterando a rapidez com que a luz está se movendo e a direção em que está viajando. Não precisamos coletar a saída de luz porque usamos a eletrodinâmica para redirecioná-la na interface onde a geramos."

A luz violeta tem o menor comprimento de onda visível para os humanos. O ultravioleta tem comprimentos de onda ainda mais baixos, que variam de 400 nanômetros a 10 nanômetros. Vacuum UV, com comprimentos de onda entre 100-200 nanômetros, é assim chamado porque é fortemente absorvido pelo oxigênio. O uso da luz VUV hoje normalmente requer uma câmara de vácuo ou outro ambiente especializado, bem como maquinário para gerar e focalizar o VUV.

"Materiais convencionais geralmente não geram VUV", disse Arndt. "É feito hoje com cristais não lineares, que são volumosos, caros e muitas vezes controlados pela exportação. O resultado é que o VUV é bastante caro."

Em trabalhos anteriores, Halas, o físico da Rice Peter Nordlander, ex-Ph.D da Rice. O estudante Michael Semmlinger e outros demonstraram que poderiam transformar UV de 394 nanômetros em VUV de 197 nanômetros com uma metasuperfície de óxido de zinco. Como os metalens, a metasuperfície era um filme transparente de óxido de zinco com uma superfície padronizada. Mas o padrão necessário não era tão complexo, pois não precisava focar a saída de luz, disse Arndt.

"Os metalenses se aproveitam do fato de que as propriedades da luz mudam quando atinge uma superfície", disse ela. "Por exemplo, a luz viaja mais rápido pelo ar do que pela água. É por isso que você obtém reflexos na superfície de um lago. A superfície da água é a interface, e quando a luz do sol atinge a interface, um pouco dela é refletida. "

O trabalho anterior mostrou que uma metasuperfície poderia produzir VUV convertendo UV de onda longa por meio de um processo de duplicação de frequência chamado geração de segundo harmônico. Mas o VUV é caro, em parte, porque é caro manipulá-lo depois de produzido. Sistemas comercialmente disponíveis para isso podem encher armários tão grandes quanto geladeiras ou carros compactos e custam dezenas de milhares de dólares, disse ela.

"Para um metalens, você está tentando gerar a luz e manipulá-la", disse Arndt. "No regime de comprimento de onda visível, a tecnologia de metalens tornou-se muito eficiente. Os fones de ouvido de realidade virtual usam isso. Metalenses também foram demonstrados nos últimos anos para comprimentos de onda visíveis e infravermelhos, mas ninguém havia feito isso em comprimentos de onda mais curtos. E muitos materiais absorvem VUV. Então, para nós, foi apenas um desafio geral ver, 'Podemos fazer isso?'"

Para fazer os metalens, Arndt trabalhou com o autor co-correspondente Din Ping Tsai da City University of Hong Kong, que ajudou a produzir a intrincada superfície de metalens, e com três co-primeiros autores:Semmlinger, que se formou na Rice em 2020, Ming Zhang, que se formou na Rice em 2021, e Ming Lun Tseng, professor assistente da Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung de Taiwan.

Testes em Rice mostraram que os metalens podem concentrar sua saída de 197 nanômetros em um ponto medindo 1,7 mícron de diâmetro, aumentando a densidade de potência da saída de luz em 21 vezes.

Arndt disse que é muito cedo para dizer se a tecnologia pode competir com os sistemas VUV de última geração.

"É realmente fundamental nesta fase", disse ela. "Mas tem muito potencial. Poderia ser muito mais eficiente. Com este primeiro estudo, a pergunta era:'Funciona?' Na próxima fase, perguntaremos:'Quanto melhor podemos melhorar?'" + Explorar mais

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