Ao organizar discos de ouro opticamente ajustados em um padrão espaçado, Os cientistas da Rice University criaram campos elétricos intensos e aprimoraram as propriedades ópticas não lineares do sistema. Aqui, um modelo de computador exibe as interações plasmônicas que dão origem aos campos intensos. Crédito:Yu Zhang / Rice University
Cientistas da Rice University revelaram um novo método robusto para organizar nanopartículas de metal em padrões geométricos que podem atuar como processadores ópticos que transformam os sinais de luz recebidos em saída de uma cor diferente. O avanço de uma equipe de físicos e engenheiros teóricos e aplicados do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) é descrito esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .
A equipe de Rice usou o método para criar um dispositivo óptico no qual a luz que entra pudesse ser controlada diretamente com a luz por meio de um processo conhecido como "mistura de quatro ondas". A mistura de quatro ondas tem sido amplamente estudada, mas o método de padronização de disco de Rice é o primeiro que pode produzir materiais adaptados para realizar a mistura de quatro ondas com uma ampla gama de entradas e saídas coloridas.
“A versatilidade é uma das vantagens desse processo, "disse a co-autora do estudo Naomi Halas, diretor do LANP e Stanley C. Moore, professor de Engenharia Elétrica e da Computação e professor de engenharia biomédica, de Rice, química, física e astronomia. "Isso nos permite misturar cores de uma maneira muito geral. Isso significa que não apenas podemos enviar feixes de duas cores diferentes e obter uma terceira cor, mas podemos ajustar os arranjos para criar dispositivos adaptados para aceitar ou produzir um amplo espectro de cores. "
O processamento de informações que ocorre dentro dos computadores de hoje, smartphones e tablets é eletrônico. Cada um dos bilhões de transistores em um chip de computador usa entradas elétricas para agir sobre e modificar os sinais elétricos que passam por ele. O processamento de informações com luz em vez de eletricidade pode permitir que computadores sejam mais rápidos e mais eficientes em termos de energia, mas construir um computador óptico é complicado pelas regras quânticas que a luz obedece.
Físicos e engenheiros do Laboratório de Nanofotônica de Rice revelaram um novo método robusto para organizar nanopartículas de metal em padrões geométricos que podem atuar como processadores ópticos que transformam os sinais de luz recebidos em uma saída de cor diferente. Crédito:Yu Zhang / Rice University
"Na maioria das circunstâncias, um feixe de luz não interage com outro, "disse o físico teórico do LANP Peter Nordlander, um co-autor do novo estudo. "Por exemplo, se você apontar uma lanterna para uma parede e cruzar esse feixe com o feixe de uma segunda lanterna, não importa. A luz que sai da primeira lanterna vai passar, independente da luz do segundo.
"Isso muda se a luz estiver viajando em um 'meio não linear, “As propriedades eletromagnéticas de um meio não linear são tais que a luz de um feixe irá interagir com outro. Então, se você iluminar as duas lanternas por meio de um meio não linear, a intensidade do feixe da primeira lanterna será reduzida proporcionalmente à intensidade do segundo feixe. "
Discos de ouro ajustados para capturar a energia de dois feixes de luz que chegam podem produzir uma saída de uma terceira cor. Aqui, uma animação de computador mostra como a onda eletromagnética (vermelho =positivo, azul =negativo) da luz que entra se propaga através do sistema como uma série de ondas plasmônicas. Crédito:Yu-Rong Zhen / Rice University
Os padrões dos discos de metal que os cientistas do LANP criaram para o PNAS estudo são um tipo de mídia não linear. A equipe usou litografia de feixe de elétrons para gravar discos de ouro em forma de disco que foram colocados em uma superfície transparente para testes ópticos. O diâmetro de cada disco era cerca de um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Cada um foi projetado para coletar a energia de uma determinada frequência de luz; organizando uma dúzia de discos em um padrão espaçado, a equipe conseguiu aprimorar as propriedades não lineares do sistema criando campos elétricos intensos.
"Nosso sistema explora um efeito plasmônico específico chamado ressonância Fano para aumentar a eficiência do efeito não linear relativamente fraco que fundamenta a mistura de quatro ondas, "Nordlander disse." O resultado é um aumento na intensidade da terceira cor de luz que o dispositivo produz. "
O aluno de pós-graduação e co-autor Yu-Rong Zhen calculou o arranjo preciso de 12 discos que seriam necessários para produzir duas ressonâncias Fano coerentes em um único dispositivo, e o estudante de graduação e co-autor principal Yu Zhang criou o dispositivo que produziu a mistura de quatro ondas - o primeiro material desse tipo já criado.
"O dispositivo que Zhang criou para a mixagem de quatro ondas é o mais eficiente já produzido para esse fim, mas o valor desta pesquisa vai além do design para este dispositivo específico, "disse Halas, que foi recentemente nomeada membro da National Academy of Sciences por sua pesquisa pioneira em nanofotônica. "Os métodos usados para criar este dispositivo podem ser aplicados à produção de uma ampla gama de mídia não linear, cada um com propriedades ópticas personalizadas. "
