Cientistas conseguiram confinar feixes de luz infravermelha numa rede (lattice) de átomos concebidos de forma específica, com só 42 nanómetros de espessura. Isto corresponde a cerca de 2.000x menos do que a espessura de um cabelo humano e ainda a uma fração mais fina do que uma lasca de uma folha de papel comum.
O resultado, alcançado por uma equipa liderada pela Universidade de Varsóvia, na Polónia, pode ter impacto relevante na eletrónica baseada em luz, numa altura em que os componentes tecnológicos continuam a encolher e a exigir tolerâncias cada vez mais apertadas.
Trata-se também de um avanço importante para a investigação em luz infravermelha, que possui comprimentos de onda superiores aos da luz visível. Conseguir “prender” infravermelhos em volumes minúsculos é difícil - e é precisamente esse tipo de desafio que testa os limites impostos pela física.
"Os resultados apresentados são promissores para a concretização de dispositivos planos e ultracompactos para emissão laser, controlo da frente de onda e estados topológicos de ordem superior da luz", escrevem os investigadores no artigo publicado.
A grelha de disselenieto de molibdénio (MoSe2) que torna possível aprisionar a luz infravermelha
O elemento determinante da experiência está no material escolhido para a grelha (grating) responsável por manter a luz confinada. Essa grelha foi produzida a partir de camadas atómicas de molibdénio e selénio, formando uma estrutura ultrafina de disselenieto de molibdénio (MoSe2).
Esta arquitetura química foi explorada para maximizar o índice de refração da grelha - isto é, a sua capacidade de desviar e abrandar a luz (condição essencial para a capturar).
Apesar de o MoSe2 ser há muito reconhecido pelo seu índice de refração elevado, produzir este material de forma consistente nas escalas mais pequenas tinha-se revelado problemático até agora.
Fabrico por epítaxia por feixe molecular (MBE) e grelhas subcomprimento de onda
Neste novo trabalho, os cientistas recorreram a um método de “impressão” atómica chamado epítaxia por feixe molecular (MBE) para formar folhas de MoSe2. Para além de crescerem essas folhas, os investigadores também nelas abriram listas microscópicas - com separações inferiores ao comprimento de onda da luz infravermelha (subcomprimento de onda) - preparadas para manter os fotões confinados.
O fenómeno “estado ligado no contínuo” (BIC) que impede a fuga das ondas
Para que o confinamento funcionasse, foi necessário aplicar mais um conceito de física: um "estado ligado no contínuo" (BIC). Trata-se de um fenómeno em que, neste caso, as ondas de luz ficam aprisionadas no interior de um material, apesar de coexistirem com outras ondas que se dissipam por radiação.
A criação de um BIC exige que os materiais sejam desenhados e configurados com grande rigor, algo que a equipa garantiu ao modelar cuidadosamente a grelha de MoSe2 antes de a construir.
"Explorámos o índice de refração excecionalmente elevado do MoSe2 para desenhar e produzir, de forma inovadora, grelhas subcomprimento de onda baseadas em MoSe2 que alojam BICs", escrevem os investigadores.
Porque é que isto importa: computação óptica e controlo preciso da luz
Esta física sofisticada pode vir a traduzir-se em aplicações práticas. Continua a ganhar força a ideia de computação óptica - em que os fotões substituem eletrões e eletricidade - com potencial para aumentar de forma significativa as velocidades de processamento e, ao mesmo tempo, reduzir o tamanho dos componentes.
Ainda existem muitos obstáculos até a computação óptica se tornar viável, mas demonstrações como a descrita aqui indicam que talvez seja possível prender e manipular a luz com o grau de precisão necessário - e em dimensões extremamente reduzidas.
Limitações atuais e próximos passos com TMDs
Quanto a este material específico e a esta armadilha de luz, são precisos mais desenvolvimentos antes de uma implementação fiável em escala. O processo de crescimento das folhas proposto pela equipa não foi totalmente uniforme, pelo que o material foi polido com lenços de seda para remover irregularidades.
Mesmo assim, os autores consideram que a abordagem tem margem para evoluir e até para se estender a outras linhas de investigação.
O MoSe2 integra uma família mais ampla de materiais ultrafinos conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), e a expectativa é encontrar novas formas de produzir e manipular TMDs com maior consistência.
Se isso acontecer, poderá abrir caminho a dispositivos ainda mais pequenos e rápidos do que os atuais, construídos em parte graças ao confinamento da luz em espaços incrivelmente diminutos.
"A facilidade e simplicidade do processamento do MoSe2 confirmam que outros designs de estruturas fotónicas, como metasuperfícies 2D baseadas em camadas de TMD, são viáveis", escrevem os investigadores.
A investigação foi publicada na ACS Nano.
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