p Pegue espirais de ouro do tamanho de uma moeda de dez centavos ... e diminua-as cerca de seis milhões de vezes. O resultado são as menores espirais contínuas do mundo:"nano-espirais" com propriedades ópticas únicas que seriam quase impossíveis de falsificar se fossem adicionadas a carteiras de identidade, moeda e outros objetos importantes. p Alunos e professores da Universidade de Vanderbilt fabricaram essas minúsculas espirais de Arquimedes e, em seguida, usaram lasers ultrarrápidos em Vanderbilt e no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico em Richland, Washington, para caracterizar suas propriedades ópticas. Os resultados são relatados em um artigo publicado online pela Journal of Nanophotonics em 21 de maio.

p "Eles são certamente menores do que qualquer uma das espirais que encontramos relatadas na literatura científica, "disse Roderick Davidson II, o aluno de doutorado de Vanderbilt que descobriu como estudar seu comportamento óptico. As espirais foram projetadas e feitas em Vanderbilt por outro aluno de doutorado, Jed Ziegler, agora no Laboratório de Pesquisa Naval.

p A maioria dos outros pesquisadores que estudaram as propriedades notáveis ​​das espirais microscópicas o fizeram organizando nanopartículas discretas em um padrão espiral:semelhante a espirais desenhadas com uma série de pontos de tinta em um pedaço de papel. Por contraste, as novas nano espirais têm braços sólidos e são muito menores:uma matriz quadrada com 100 nano espirais em um lado tem menos de um centésimo de milímetro de largura.

p Quando essas espirais são reduzidas a tamanhos menores do que o comprimento de onda da luz visível, eles desenvolvem propriedades ópticas incomuns. Por exemplo, quando eles são iluminados com luz laser infravermelha, eles emitem luz azul visível. Vários cristais produzem esse efeito, chamado de duplicação de frequência ou geração de harmônicos, em vários graus. O dobrador de frequência mais forte conhecido anteriormente é o borato de bário beta de cristal sintético, mas as nano-espirais produzem quatro vezes mais luz azul por unidade de volume.

p Quando a luz do laser infravermelho atinge as pequenas espirais, é absorvido pelos elétrons nos braços de ouro. Os braços são tão finos que os elétrons são forçados a se mover ao longo da espiral. Os elétrons que são dirigidos para o centro absorvem energia suficiente para que alguns deles emitam luz azul com o dobro da frequência da luz infravermelha que chega.

p "Isso é semelhante ao que acontece com uma corda de violino quando é dobrada vigorosamente, "disse Stevenson Professor de Física Richard Haglund, quem dirigiu a pesquisa. "Se você dobrar uma corda de violino muito levemente, ela produzirá um único tom. Mas, se você se curvar vigorosamente, também começa a produzir harmônicos mais elevados, ou sobretons. Os elétrons no centro das espirais são movidos com bastante vigor pelo campo elétrico do laser. A luz azul é exatamente uma oitava acima do infravermelho - o segundo harmônico. "

p As nano espirais também têm uma resposta distinta à luz laser polarizada. Luz linearmente polarizada, como aquele produzido por um filtro Polaroid, vibra em um único plano. Quando atingido por tal feixe de luz, a quantidade de luz azul que as nano espirais emitem varia conforme o ângulo do plano de polarização é girado em 360 graus.

p O efeito é ainda mais dramático quando a luz laser polarizada circularmente é usada. Em luz polarizada circularmente, o plano de polarização gira no sentido horário ou anti-horário. Quando nano espirais canhotas são iluminadas com luz polarizada no sentido horário, a quantidade de luz azul produzida é maximizada porque a polarização empurra os elétrons em direção ao centro da espiral. Luz polarizada no sentido anti-horário, por outro lado, produz uma quantidade mínima de luz azul porque a polarização tende a empurrar os elétrons para fora, de modo que as ondas de toda a nano espiral interferem destrutivamente.

p A combinação das características únicas de sua duplicação de frequência e resposta à luz polarizada fornece às nano-espirais uma função única, assinatura personalizável que seria extremamente difícil de falsificar, disseram os pesquisadores.

p Até aqui, Davidson fez experimentos com pequenos arranjos de nanorrespirais de ouro em um substrato de vidro feito com litografia de varredura por feixe de elétrons. Nano-espirais de prata e platina podem ser feitas da mesma maneira. Por causa das pequenas quantidades de metal realmente usadas, eles podem ser feitos de metais preciosos de forma barata, que resistem à degradação química. Eles também podem ser feitos em plástico, papel e vários outros substratos.

p "Se nano espirais estivessem embutidas em um cartão de crédito ou cartão de identificação, eles podem ser detectados por um dispositivo comparável a um leitor de código de barras, "disse Haglund.

p O efeito de duplicação da frequência é forte o suficiente para que arranjos muito pequenos para serem vistos a olho nu possam ser detectados facilmente. Isso significa que eles podem ser colocados em um local secreto em um cartão, o que proporcionaria uma barreira adicional aos falsificadores.

p Os pesquisadores também argumentam que matrizes nano-espirais codificadas podem ser encapsuladas e colocadas em explosivos, produtos químicos e drogas - qualquer substância que alguém deseja rastrear de perto - e então detectada usando um dispositivo de leitura óptica.