Não muito depois do desenvolvimento do primeiro laser em 1960, os cientistas descobriram que um feixe de luz através de certos cristais produzia luz de uma cor diferente; mais especificamente, produzia luz exatamente com o dobro da freqüência do original. O fenômeno foi apelidado de geração de segundo harmônico.

Os ponteiros laser verdes em uso hoje para ilustrar apresentações são baseados nesta ciência, mas produzir um feixe de esmeralda tão bonito não é tarefa fácil. A luz verde começa como um raio infravermelho que deve ser processado primeiro através de um cristal, várias lentes e outros elementos ópticos antes de iluminar o PowerPoint na tela à sua frente.

Mais tarde, foi descoberto que a aplicação de um campo elétrico a alguns cristais produziu um efeito semelhante, embora mais fraco, feixe de luz. Esta segunda descoberta, conhecido como EFISH - para geração de luz de segundo harmônico induzida por campo elétrico - representou principalmente um conhecimento científico interessante e pouco mais. Dispositivos EFISH são grandes, exigentes lasers de alta potência, grandes cristais e milhares de volts de eletricidade para produzir o efeito. Como resultado, eles são impraticáveis ​​para todos, exceto algumas aplicações.

Em um artigo publicado hoje em Ciência , engenheiros de Stanford demonstraram um novo dispositivo que reduz os dispositivos EFISH em ordens de magnitude até a nanoescala. O resultado é uma fonte de luz ultracompacta com funções ópticas e elétricas. As implicações da pesquisa para o dispositivo variam de uma melhor compreensão da ciência fundamental até comunicações de dados aprimoradas.

Elétrons carregados por mola

O dispositivo é baseado nas forças físicas que ligam os elétrons em órbita ao redor de um núcleo.

"É como uma primavera, "disse Mark Brongersma, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford.

Na maioria dos casos, quando você ilumina um átomo, a energia adicionada puxará o elétron para longe do núcleo carregado positivamente de forma muito previsível, de uma forma linear, de modo que quando a luz é desligada e o elétron volta à sua órbita original, a energia liberada é a mesma que a luz que o deslocou.

A frase-chave aqui é:"na maioria dos casos". Quando a fonte de luz é um laser de alta intensidade brilhando sobre um sólido, os pesquisadores descobriram que quanto mais os elétrons são afastados dos núcleos, menos linearmente a luz interage com os átomos.

"Em outras palavras, a interação luz-matéria torna-se não linear, "disse Alok Vasudev, um estudante de graduação e co-autor do artigo. "A luz que você obtém é diferente da luz que você coloca. Aplique um forte laser próximo ao infravermelho no cristal e a luz verde emerge exatamente com o dobro da frequência."

Possibilidades de engenharia

"Agora, Alok e eu pegamos esse conhecimento e o reduzimos à nanoescala, "disse o primeiro autor do jornal, Wenshan Cai, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Brongersma. "Pela primeira vez, temos um dispositivo ótico não linear em nanoescala que tem funcionalidade ótica e elétrica. E isso oferece algumas possibilidades de engenharia interessantes."

Para muitas aplicações fotônicas, incluindo processamento de sinal e informação, é desejável manipular eletricamente a geração de luz não linear. O novo dispositivo se assemelha a uma gravata borboleta em nanoescala com duas metades de folha de ouro simétrica se aproximando, mas não exatamente tocando, no centro. Essa fenda fina entre as duas metades é preenchida com um material não linear. A estreiteza é crítica. Tem apenas 100 nanômetros de diâmetro.

"EFISH requer um enorme campo elétrico. Da física básica, sabemos que a intensidade de um campo elétrico escala linearmente com a voltagem aplicada e inversamente com a distância entre os eletrodos - distância menor, campo mais forte e vice-versa, "disse Brongersma." Então, se você tiver dois eletrodos colocados extremamente próximos, como fazemos em nosso experimento, não são necessários muitos volts para produzir um campo elétrico gigante. Na verdade, leva apenas um único volt. "

"É esta ciência fundamental que nos permite encolher o dispositivo em ordens de magnitude da escala humana à nanoescala, "disse Cai.

Entre na plasmônica

A área de especialização de Brongersma, plasmônica, então entra em cena. A plasmônica é o estudo de um curioso fenômeno físico que ocorre quando a luz e o metal interagem. À medida que os fótons atingem o metal, eles produzem ondas de energia fluindo para fora da superfície do metal, como as ondas quando uma pedra é jogada em um lago.

Os engenheiros aprenderam a controlar a direção das ondulações padronizando a superfície do metal de tal forma que quase todas as ondas de energia são canalizadas para dentro em direção à fenda entre os dois eletrodos metálicos.

A luz se derrama na fenda como se estivesse na borda de uma cachoeira e ali se intensifica, produzindo luz cerca de 80 vezes mais forte do que os já intensos níveis de laser de onde vinha. Em seguida, os pesquisadores aplicam uma voltagem modesta ao metal, resultando no tremendo campo elétrico necessário para produzir um feixe EFISH.

Aplicações práticas

“Este tipo de dispositivo pode um dia encontrar aplicação na indústria de comunicações, "diz Brongersma." A maior parte da massa de informações e interação de mídia social que enviamos por meio de nossos data centers, e os dados futuros que algum dia criaremos, são salvos e transmitidos como energia elétrica - uns e zeros. "

"Esses uns e zeros são apenas um interruptor; um está ligado, zero está desligado, "disse Cai." À medida que o transporte óptico de informações com maior eficiência energética está ganhando importância rapidamente, não é um grande salto ver por que os dispositivos que podem converter sinais elétricos em ópticos e vice-versa têm grande valor. "

Por enquanto, Contudo, os pesquisadores alertam que as aplicações práticas permanecem no futuro, mas eles criaram algo novo.

"É uma ótima peça de ciência básica, "disse Brongersma." É um trabalho que combina várias disciplinas - óptica não linear, eletrônicos, plasmônica, e engenharia em nanoescala - em um dispositivo realmente interessante que pode nos manter ocupados por algum tempo. "