Luz é miniaturizada na dimensão de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/07/2018

A luz é comprimida na forma de "ondas" de plásmons de superfície, que são oscilações coletivas de elétrons. [Imagem: ICFO]

Miniaturização da luz

O componente fundamental de toda a nossa atual tecnologia, o transístor, nasceu enorme, começou a ser fabricado com cerca de 1 centímetro e, graças à miniaturização, hoje cada um deles mede 14 nanômetros em escala industrial, e menos ainda em escala de laboratório.

O esforço agora é para miniaturizar os componentes fotônicos, aqueles que servirão de base para os processadores e chips que vão funcionar com base na luz, e não mais na eletricidade.

Os pesquisadores já sabiam que os metais podem comprimir a luz abaixo da escala de comprimento de onda (limite de difração), mas mais confinamento parecia vir sempre ao custo de perdas adicionais de energia.

Este paradigma foi agora quebrado por David Iranzo e uma equipe da Espanha, EUA e Portugal.

Eles confinaram a luz em um espaço de um átomo de dimensão - lembre-se que o comprimento de onda da luz está na faixa das centenas de nanômetros, enquanto um átomo é medido em ângstrons, ou décimos de nanômetro.

Transformando a luz em plásmons

A equipe usou pilhas (heteroestruturas) de materiais 2D e construiu um componente óptico completamente novo, como se fosse um Lego em escala atômica. Uma camada de grafeno (semi-metal) foi posta sobre uma camada hexagonal de nitreto de boro (isolante) e, por cima de tudo, foi aplicada uma matriz de hastes metálicas.

O grafeno foi escolhido porque esse material é capaz de guiar a luz na forma de plásmons de superfície, que são oscilações coletivas de elétrons que interagem fortemente com a luz. O nitreto de boro serve como um espaçador.

Quando luz infravermelha - comprimento de onda de 0,75 a 1 milímetro - é disparada sobre o componente, ela induz os plásmons, que se propagam livremente no espaço equivalente à camada de nitreto de boro, ou seja, em um espaço com menos de um nanômetro de altura.

Na outra extremidade, os plásmons são usados para modular o feixe de saída, o que permite recuperar as informações do feixe original. Em termos gerais, tanto a luz quanto os elétrons podem ser controlados na escala de um nanômetro e até menos.

De acordo com a equipe, a miniaturização da luz sem perda e a possibilidade de aproveitar essas interações luz-matéria antes inacessíveis abrem um mundo completamente novo de componentes optoeletrônicos com apenas um nanômetro de espessura, como comutadores ópticos, detectores, sensores e novas técnicas de microscopia óptica, eventualmente permitindo enxergar diretamente os átomos.

Bibliografia:

Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der Waals heterostructure
David Alcaraz Iranzo, Sebastien Nanot, Eduardo J. C. Dias, Itai Epstein, Cheng Peng, Dmitri K. Efetov, Mark B. Lundeberg, Romain Parret, Johann Osmond, Jin-Yong Hong, Jing Kong, Dirk R. Englund, Nuno M. R. Peres, Frank H.L. Koppens
Science
Vol.: 360, Issue 6386, pp. 291-295
DOI: 10.1126/science.aar8438