Capturando a luz no ar: Vazios intensificam interação entre luz e matéria

Explorar melhor a luz

Mecanismos para aprisionar a luz no interior de um material podem melhorar dramaticamente as propriedades desse material ao otimizar a interação luz-matéria, algo que tem demonstrado impacto significativo em áreas que vão do armazenamento de dados à criação de lasers melhores.

Ao longo da última década, as chamadas armadilhas de luz têm revelado um quase-universo de possibilidades, entre as quais memórias ópticas, processadores fotônicos e lentes perfeitas, além de experimentos exóticos, como uma sopa de luz e matéria e a entropia no mundo quântico.

Zhuoyuan Lu e colegas da Universidade Nacional Australiana estavam trabalhando em outra frente: Materiais capazes de gerar novas cores de luz por meio de processos ópticos não-lineares, como a geração de segundo harmônico, o que os tornam atraentes para óptica quântica, sensoriamento e fontes de luz integradas em chips.

Os mais promissores pertencem à classe dos materiais de van der Waals, formados por camadas empilhadas de espessura atômica. O problema é que a extrema finura desses materiais 3D impõe uma limitação fundamental: Há muito pouco material com o qual a luz possa interagir. Como resultado, a emissão e a conversão de frequência costumam ser fracas, a menos que o ambiente fotônico circundante seja cuidadosamente projetado.

Prendendo a luz no vazio

Lu então teve uma ideia que promete revolucionar seu campo de pesquisa: Em vez de tentar ajustar as camadas atômicas do material, ele apostou nos espaços vazios entre as camadas, uma proposta corajosa, que consiste essencialmente em aprisionar a luz no vazio entre as camadas, para que ela tenha tempo para interagir melhor com o material.

O pesquisador usou um semicondutor ultrafino, chamado dissulfeto de tungstênio (WS2), que tem sido extensivamente pesquisado para futuras tecnologias fotônicas, aquelas baseadas em luz em vez de eletricidade.

O truque está em tirar proveito do espaço entre as camadas monoatômicas do semicondutor. Para isso, Lu criou uma plataforma híbrida na qual uma monocamada de WS2 é colocada sobre cavidades de ar em nanoescala, conhecidas como vazios de Mie, pequenas depressões esculpidas em um cristal de alto índice de refração, neste caso o telureto de bismuto (Bi2Te3).

Deu certo. O experimento demonstrou que esses vazios podem aumentar significativamente a emissão de luz e os sinais ópticos não-lineares, permitindo também a visualização direta de modos ópticos localizados.

Espaço vazio como um ressonador

Esse truque de aprisionamento da luz já é feito por dispositivos chamados nanorressonadores dielétricos, que aprisionam a luz dentro de materiais sólidos, como o silício. Embora eficaz em muitas situações, essa abordagem concentra os campos ópticos longe da superfície dos materiais monoatômicos que devem fazer o trabalho de fato. Além disso, o desempenho fica insatisfatório quando o material hospedeiro absorve luz, o que atenua as ressonâncias e reduz a intensidade do campo.

Os vazios de Mie funcionam segundo um princípio diferente: Em vez de confinar a luz dentro da matéria sólida, ela é aprisionada dentro de cavidades de ar menores do que o comprimento de onda, cavidades essas esculpidas em um material com um índice de refração muito alto. A forte reflexão na interface ar-dielétrico mantém a luz circulando dentro do vazio, concentrando o campo óptico no ar, mas junto à superfície da monocamada ativa, em estreita interação com ela.

Esta nova plataforma deverá servir de base para a geração de luz não-linear, sensoriamento aprimorado por superfície e dispositivos fotônicos espacialmente programáveis, baseados em semicondutores bidimensionais. De forma mais ampla, o trabalho destaca como a modelagem do espaço vazio pode ser tão importante quanto a escolha do material adequado quando se trata de projetar interações luz-matéria em nanoescala.