Uma equipe de pesquisadores do instituto holandês AMOLF, Western University (Canadá), e a Universidade do Texas (Estados Unidos da América) demonstrou recentemente o uso de design algorítmico para criar um novo tipo de estrutura nanofotônica. Esta é uma boa notícia para pesquisadores em computação quântica óptica e fotovoltaica, porque a estrutura melhora muito a diretividade dos emissores em nanoescala (em diodos emissores de luz, ou fontes de fóton único) e absorvedores (em células solares ou fotodetectores). Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Nature Communications em 9 de novembro, 2018.

A diretividade descreve a relação entre a emissão de luz em uma direção específica e o total em todas as outras direções. Muitas vezes é útil que os emissores tenham alta diretividade, de modo que todos os fótons criados por uma fonte em nanoescala possam ser coletados em outro lugar. Isso é particularmente valioso em aplicações de computação quântica óptica em que a coleta de emissores de fóton único se mostra desafiadora.

Além disso, melhorar a diretividade é benéfico para dispositivos fotovoltaicos em nanoescala também; acoplar o material absorvente ativo em células solares exclusivamente com o sol pode melhorar a fotovoltagem significativamente. Isso pode ser entendido por meio de uma analogia - ao aquecer um material com luz solar, ficará mais quente quando estiver apenas trocando energia com o sol, e não com o ambiente circundante relativamente mais frio.

Diretividade em nanoescala

Embora a diretividade seja uma propriedade altamente vantajosa para emissores e absorvedores, aumentá-lo para dispositivos em nanoescala pode ser um desafio. Em escalas tão pequenas, a luz se comporta tanto como uma partícula quanto como uma onda, complicando o projeto de estruturas com recursos de subcomprimento de onda a ponto de a intuição do desempenho de um elemento óptico ser extremamente limitada. Projetar estruturas usando algoritmos aborda isso, permitindo simulações ópticas de onda completa para ditar totalmente a geometria do objeto nanofotônico. A equipe de pesquisa usou um algoritmo evolutivo, para criar várias gerações de estruturas com desempenho crescente. Isso resultou em valores de diretividade excedendo aqueles de estruturas clássicas, como lentes esféricas, por mais de um fator de três.

Para demonstrar a viabilidade dessas estruturas, um dispositivo de prova de conceito foi fabricado experimentalmente. Este dispositivo envolvia a impressão de uma estrutura de nanolens no topo de um nanofio de arsenieto de gálio usando uma técnica de laser pulsado de femtossegundo. Esses nanofios de GaAs foram usados ​​por sua relevância em dispositivos fotovoltaicos, ao mesmo tempo que fornece um sistema de teste conveniente devido à sua alta eficiência quântica (número de fótons de saída por fóton de entrada).

Enquanto os nanolenses melhoraram drasticamente a diretividade dos emissores de nanofios, o desempenho observado ainda era menor do que o projeto computacional havia previsto. Contudo, incluindo um pequeno deslocamento entre o centro de emissão e o centro da lente, novas simulações foram capazes de reproduzir o comportamento observado. Este deslocamento provavelmente ocorreu nas amostras experimentais, como os nanofios emitem primário de uma pequena região perto de uma de suas extremidades (correspondendo a posição da junção do diodo interno no fio). A dificuldade de alinhar a este local de emissão provou ser a única grande limitação no desempenho observado, seguido pelo fato de que esta emissão ainda era de uma região finita (não um único ponto, como assumido nas simulações de projeto). Isso indica que a mudança para estruturas emissoras ou absorvedoras mais confinadas poderia facilmente abordar ambas as fontes de desempenho diminuído, e oferecem um comportamento ainda mais diretivo sem a necessidade de alterar as lentes ou técnicas de fabricação.