A luz se comporta de maneiras bastante domesticadas e previsíveis ao interagir com objetos do cotidiano - ela viaja em linhas retas, rebate quando atinge superfícies brilhantes, e é dobrado pelas lentes. Mas coisas estranhas e maravilhosas começam a acontecer quando a luz interage com objetos muito pequenos. Nanopartículas, por exemplo, que são coleções de átomos tão pequenas quanto um vírus, podem atuar como mini-antenas, e pequenos discos de silício podem desencadear estranhos 'modos' de luz que os tornam invisíveis.

Uma nova área da óptica surgiu nos últimos anos para estudar esses fenômenos estranhos. "Nanofotônica, um ramo da ótica que lida com luz em dimensões em nanoescala, tornou-se um tópico de pesquisa quente na última década ou mais, "observa Arseniy Kuznetsov, do A * STAR Data Storage Institute." Ele é muito promissor para vários novos aplicativos, variando de transmissão de informação de alta velocidade e tecnologias de exibição holográfica a bioimagem e sequenciamento de genoma. "A equipe de Kuznetsov está liderando o desenvolvimento em um subcampo da nanofotônica, o que poderia assegurar sua ampla aplicação prática.

Luz em escalas minúsculas

Tradicionalmente, a nanofotônica se concentrou em minúsculas estruturas metálicas, como nanopartículas de ouro e prata. O campo elétrico oscilante da luz faz com que os elétrons livres nos metais oscilem coletivamente. Em certos tamanhos de partícula, isso pode dar origem a um efeito conhecido como ressonância de plasmão de superfície. Ressonância é um fenômeno geral em que um sistema exibe uma resposta muito maior em certas frequências - por exemplo, um cantor de ópera pode quebrar uma taça de vinho cantando no tom em que ela ressoa. A ressonância de plasmons de superfície refere-se ao efeito de ressonância específico produzido por plasmons de superfície, que são uma coleção de oscilações carregadas - cujo estudo é conhecido como nanoplasmônica. Embora seja uma área de pesquisa muito nova, efeitos nanoplasmônicos têm sido explorados por séculos - vitrais em catedrais medievais devem sua cor a plasmons de superfície excitados em nanopartículas de metal embutidas no vidro.

Apesar das grandes expectativas para nanoplasmônicos em áreas como tecnologia da informação, segurança, energia, armazenamento de dados de alta densidade e ciências biológicas, resultou em relativamente poucas aplicações práticas. Uma razão para esse resultado decepcionante é que as nanoestruturas de metal perdem muita luz para absorção. "Uma compreensão mais profunda dessas ressonâncias trouxe uma compreensão geral das principais desvantagens relacionadas a altas perdas inevitáveis ​​em nanoestruturas metálicas ressonantes, "comenta Kuznetsov. Além disso, metais comumente usados ​​para plasmônicos, como prata e ouro, são incompatíveis com os métodos padrão para a fabricação de componentes semicondutores, tornando-os difíceis de produzir.

Uma revolução silenciosa

Mas agora uma revolução silenciosa está em andamento nesta área. O foco está mudando dos metais para materiais eletricamente isolantes e parcialmente isolantes, conhecidos como dielétricos e semicondutores, que são "opticamente densos", de modo que a luz viaja consideravelmente mais devagar neles do que no ar. Exemplos de tais materiais incluem os semicondutores de silício, germânio e arsenieto de gálio, e dióxido de titânio.

"A mudança dos metais para os dielétricos já está acontecendo, "diz Kuznetsov." Muitas equipes líderes em plasmônica já começaram a trabalhar com nanoestruturas dielétricas ressonantes. "

Embora ainda esteja em sua infância, a transição revelou muitos benefícios. “Após as demonstrações de ressonâncias em nanopartículas dielétricas em 2012, o campo decolou, "diz Kuznetsov." Muitas vantagens sobre os plasmônicos convencionais foram agora descobertas. "

Abrindo o caminho

Kuznetsov e sua equipe da A * STAR estão na vanguarda dessa revolução. Eles empregam uma abordagem em três frentes. "Em muitos casos, nós geramos um conceito teórico, mostrá-lo em simulações e, em seguida, demonstrá-lo experimentalmente. Contudo, às vezes ocorre o processo inverso - observações experimentais inesperadas levam ao desenvolvimento de teoria para fornecer sua compreensão física, "explica Kuznetsov.

Os membros da equipe realizaram algumas inovações notáveis ​​neste jovem campo. O físico Boris Luk'yanchuk deu o pontapé inicial em 2010, quando ele e seus colegas na Alemanha publicaram um artigo seminal mostrando que, teoricamente, nanopartículas de silício com tamanhos variando de 100 a 200 nanômetros podem ter fortes ressonâncias elétricas e magnéticas em frequências de luz visível - uma alternativa de baixa perda para nanoestruturas plasmônicas. Em um artigo subsequente, Luk'yanchuk, junto com pesquisadores na Austrália, propuseram novas estruturas híbridas metal-dielétricas onde a luz poderia se propagar devido a interações de momentos magnéticos, o que não é possível em cadeias de partículas metálicas. Finalmente, em 2015, o grupo A * STAR mostrou que tipos semelhantes de interações opticamente induzidas de momentos magnéticos existem em cadeias de partículas de silício. "Essas interações magnéticas de partículas de silício podem superar em muito os guias de onda baseados em plasmonics e fotônica de silício convencional, "diz Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov e sua equipe demonstraram experimentalmente essas ressonâncias em nanopartículas de silício. A equipe também foi a primeira a mostrar experimentalmente o espalhamento de luz direcional exclusivo por nanopartículas de silício, que demonstra suas propriedades promissoras de nanoantena. E os pesquisadores foram os primeiros a mostrar experimentalmente um grande aumento dos campos elétrico e magnético da luz nas proximidades de antenas dielétricas feitas de duas nanopartículas de silício colocadas muito próximas uma da outra6.

De acordo com o Google Scholar, os artigos que descrevem esses resultados foram citados mais de 1, 000 vezes, refletindo o enorme impacto que o trabalho da equipe teve no campo. Tamanha é sua reputação nesta área que uma recente revisão que escreveram sobre o campo emergente foi publicada na prestigiosa revista. Ciência .

Em um estudo de 2015, O time, junto com pesquisadores da Austrália e Alemanha, demonstrou experimentalmente um efeito óptico muito incomum em discos em nanoescala de silício - padrões de radiação que não emitem ou espalham luz8. Esses modos de radiação podem ser usados ​​para produzir minúsculos lasers em nanoescala. A equipe também mostrou como matrizes de tais discos de silício podem controlar com precisão a fase e a amplitude da luz, forçando-o a dobrar, foco, ou crie imagens holográficas de alta resolução.

Em 2016, o Instituto de Física de Cingapura concedeu a Luk'yanchuk o Prêmio Mundial de Pesquisa em Física Científica e a Medalha de Ouro por suas contribuições excepcionais à pesquisa em física no país. Nesse mesmo ano, Kuznetsov foi escolhido como o destinatário do Prêmio F Harvey de Pesquisa de Engenharia da Instituição de Engenharia e Tecnologia por "suas contribuições notáveis ​​no campo de lasers e optoeletrônica e sua pesquisa pioneira em um novo ramo da nanofotônica:nanoestruturas dielétricas opticamente ressonantes e nanoantenas dielétricas".

Um futuro brilhante

A equipe está entusiasmada com o potencial das nanoestruturas dielétricas. "Esperamos que as nanoestruturas dielétricas ressonantes finalmente dêem origem a aplicações da vida real a partir da nanofotônica ressonante, "diz Kuznetsov. Eles prevêem que muitas áreas da tecnologia podem ser fortemente afetadas por este desenvolvimento.

"Monitores holográficos tridimensionais para smartphones e dispositivos de realidade aumentada e virtual de alta resolução podem ser desenvolvidos com base em nanoantenas dielétricas. Substratos contendo nanopartículas dielétricas ressonantes podem tornar a bioimagem e o sequenciamento do genoma mais eficientes e rápidos. E computadores rápidos baseados em luz podem aparecer com componentes de nanopartículas dielétricas ressonantes dentro, "diz Kuznetsov." Algumas dessas novas e incríveis aplicações podem se tornar realidade nos próximos 5 a 8 anos, "ele prevê. Embora a luz possa ser previsível em grandes escalas, o futuro parece tudo menos domesticado para esta tecnologia emergente.