Pesquisadores de fotônica da Rice University revelaram um novo amplificador de nanopartículas que pode gerar luz infravermelha e aumentar a saída de uma luz capturando e convertendo energia de uma segunda luz.

A inovação, o mais recente do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP), é descrito online em um artigo na revista American Chemical Society Nano Letras . O dispositivo funciona como um laser, mas embora os lasers tenham uma frequência de saída fixa, a saída do "amplificador óptico paramétrico" (OPA) em nanoescala de Rice pode ser ajustada em uma faixa de frequências que inclui uma parte do espectro infravermelho.

"Fontes de luz infravermelha ajustáveis ​​OPA hoje custam cerca de US $ 100, 000 e ocupar um bom espaço em uma mesa ou bancada de laboratório, "disse o autor principal do estudo, Yu Zhang, um ex-aluno de graduação da Rice no LANP. "O que demonstramos, em princípio, é uma única nanopartícula que tem a mesma função e tem cerca de 400 nanômetros de diâmetro. "

Por comparação, que é cerca de 15 vezes menor do que um glóbulo vermelho, e Zhang disse que encolher uma fonte de luz infravermelha a uma escala tão pequena poderia abrir portas para novos tipos de sensoriamento químico e imagem molecular que não são possíveis com a espectroscopia infravermelha de última geração de hoje.

Zhang, que obteve seu Ph.D. da Rice em 2014 e hoje trabalha na Lam Research em Fremont, Califórnia, a referida amplificação paramétrica tem sido usada há décadas na microeletrônica. Envolve dois sinais de entrada, um fraco e um forte, e duas saídas correspondentes. Os resultados também são fortes e fracos, mas a energia da entrada mais poderosa - conhecida como "bomba" - é usada para amplificar o "sinal" fraco de entrada e torná-lo a saída mais poderosa. A saída de baixa potência - conhecida como "ocioso" - contém uma fração residual da energia da bomba.

"Os amplificadores paramétricos ópticos operam com luz em vez de eletricidade, "disse a Diretora do LANP Naomi Halas, o cientista-chefe do novo estudo e diretor do Instituto Smalley-Curl de Rice. "Em OPAs, uma luz forte da bomba amplifica dramaticamente um sinal de 'semente' fraco e gera uma luz mais lenta ao mesmo tempo. No nosso caso, a bomba e as frequências de sinal são visíveis, e o polidor é infravermelho. "

Embora a bomba de laser no dispositivo de Rice tenha um comprimento de onda fixo, tanto o sinal quanto as frequências de inatividade são sintonizáveis.

"As pessoas já demonstraram lasers infravermelhos em nanoescala, mas acreditamos que esta é a primeira fonte de luz infravermelha ajustável em nanoescala, "Halas disse.

A descoberta é a mais recente para o laboratório Halas, o braço de pesquisa do Instituto Smalley-Curl de Rice, especializado no estudo de nanopartículas ativadas por luz. Por exemplo, algumas nanopartículas metálicas convertem luz em plasmons, ondas de elétrons que fluem como um fluido pela superfície de uma partícula. Em dezenas de estudos nas últimas duas décadas, Os pesquisadores do LANP exploraram a física básica da plasmônica e mostraram que as interações plasmônicas podem ser aproveitadas para aplicações tão diversas quanto diagnósticos médicos, tratamento de câncer, coleta de energia solar e computação óptica.

Uma das especialidades do LANP é o projeto de nanopartículas plasmônicas multifuncionais que interagem com a luz de mais de uma maneira. Zhang disse que o projeto OPA em nanoescala exigia que a equipe do LANP criasse uma única partícula que pudesse ressoar simultaneamente com três frequências de luz.

“Existem ineficiências intrínsecas no processo de OPA, mas fomos capazes de compensar isso projetando um plasmon de superfície com ressonâncias triplas na bomba, sinal e frequências de inatividade, "Zhang disse." A estratégia nos permitiu demonstrar a emissão sintonizável em uma faixa de frequências infravermelhas - um importante passo potencial para um maior desenvolvimento da tecnologia. "

Zhang disse que o ex-pesquisador de pós-doutorado em física do Rice, Alejandro Manjavacas - agora na Universidade do Novo México - realizou os cálculos necessários para projetar a nanopartícula ressonante tripla.

Halas disse que o projeto também demonstrou a força multidisciplinar do LANP. "Na nanofotônica, a pesquisa aplicada e a pesquisa fundamental andam de mãos dadas porque uma compreensão profunda da física fundamental é o que nos permite otimizar o projeto de partículas. É por isso que uma das principais missões do LANP é reunir teóricos e experimentalistas, e este projeto é um ótimo exemplo de como isso compensa. "