(PhysOrg.com) - Pesquisadores mostraram como arranjos de minúsculas "nanoantenas plasmônicas" são capazes de manipular com precisão a luz de novas maneiras que podem tornar possível uma série de inovações ópticas, como microscópios mais poderosos, telecomunicações e computadores.

Os pesquisadores da Purdue University usaram as nanoantenas para alterar abruptamente uma propriedade da luz chamada de fase. A luz é transmitida como ondas análogas às ondas de água, que têm pontos altos e baixos. A fase define esses pontos altos e baixos de luz.

"Mudando abruptamente a fase, podemos modificar drasticamente como a luz se propaga, e isso abre a possibilidade de muitas aplicações potenciais, "disse Vladimir Shalaev, diretor científico de nanofotônica no Centro de Nanotecnologia Birck de Purdue e um distinto professor de engenharia elétrica e de computação.

Os achados são descritos em artigo a ser publicado online na quinta-feira (22 de dezembro) na revista Ciência .

O novo trabalho em Purdue amplia as descobertas de pesquisadores liderados por Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Nesse trabalho, descrito em um artigo da Science de outubro, Pesquisadores de Harvard modificaram a lei de Snell, uma fórmula usada para descrever como a luz reflete e refrata, ou curvas, ao passar de um material para outro.

"O que eles apontaram foi revolucionário, "Shalaev disse.

Até agora, A lei de Snell implica que, quando a luz passa de um material para outro, não há mudanças de fase abruptas ao longo da interface entre os materiais. Pesquisadores de Harvard, Contudo, realizaram experimentos mostrando que a fase da luz e a direção de propagação podem ser alteradas dramaticamente usando novos tipos de estruturas chamadas metamateriais, que, neste caso, eram baseadas em uma série de antenas.

Os pesquisadores do Purdue levaram o trabalho um passo adiante, criando matrizes de nanoantenas e mudando a fase e a direção de propagação da luz em uma ampla faixa de luz infravermelha próxima. O artigo foi escrito pelos alunos de doutorado Xingjie Ni e Naresh K. Emani, o principal cientista pesquisador Alexander V. Kildishev, professora assistente Alexandra Boltasseva, e Shalaev.

O tamanho do comprimento de onda manipulado pelas antenas no experimento Purdue varia de 1 a 1,9 mícron.

"O infravermelho próximo, especificamente um comprimento de onda de 1,5 mícron, é essencial para telecomunicações, "Shalaev disse." A informação é transmitida através de fibras ópticas usando este comprimento de onda, o que torna esta inovação potencialmente prática para avanços nas telecomunicações. "

Os pesquisadores de Harvard previram como modificar a lei de Snell e demonstraram o princípio em um comprimento de onda.

"Estendemos as aplicações da equipe de Harvard ao infravermelho próximo, o que é importante, e também mostramos que não é um único efeito de frequência, é um efeito de banda larga, "Shalaev disse." Ter um efeito de banda larga oferece potencialmente uma gama de aplicações tecnológicas. "

A inovação pode trazer tecnologias para direcionar e moldar feixes de laser para aplicações militares e de comunicações, nanocircuitos para computadores que usam luz para processar informações, e novos tipos de lentes poderosas para microscópios.

Crítico para o avanço é a capacidade de alterar a luz para que ela exiba um comportamento "anômalo":notavelmente, ele se dobra de maneiras impossíveis usando materiais convencionais, alterando radicalmente sua refração, um processo que ocorre como ondas eletromagnéticas, incluindo luz, dobre ao passar de um material para outro.

Os cientistas medem essa curvatura da radiação por seu "índice de refração". A refração causa o efeito bent-stick-in-water, que ocorre quando um pedaço de pau colocado em um copo d'água parece torto quando visto de fora. Cada material tem seu próprio índice de refração, que descreve quanta luz se curvará naquele material específico. Todos os materiais naturais, como vidro, ar e água, têm índices de refração positivos.

Contudo, os arranjos de nanoantena podem fazer com que a luz se curve em uma ampla variedade de ângulos, incluindo ângulos negativos de refração.

"Importante, esse desvio dramático da lei de Snell convencional que rege a reflexão e a refração ocorre quando a luz passa por estruturas que são na verdade muito mais finas do que a largura dos comprimentos de onda da luz, o que não é possível usando materiais naturais, "Shalaev disse." Além disso, não apenas o efeito de flexão, refração, mas também a reflexão da luz pode ser dramaticamente modificada pelos arranjos de antenas na interface, como os experimentos mostraram. "

As nanoantenas são estruturas em forma de V feitas de ouro e formadas no topo de uma camada de silício. Eles são um exemplo de metamateriais, que normalmente incluem as chamadas estruturas plasmônicas que conduzem nuvens de elétrons chamados plasmons. As próprias antenas têm largura de 40 nanômetros, ou bilionésimos de um metro, and researchers have demonstrated they are able to transmit light through an ultrathin "plasmonic nanoantenna layer" about 50 times smaller than the wavelength of light it is transmitting.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.