Guias de ondas ópticas 2D: cientistas inventam a menor maneira conhecida de guiar a luz
Direcionar a luz de um lugar para outro é a espinha dorsal do nosso mundo moderno. Sob os oceanos e através dos continentes, os cabos de fibra ótica transportam luz que codifica tudo, desde vídeos do YouTube até transmissões bancárias...
Cientistas da Universidade de Chicago descobriram que um cristal de vidro com apenas alguns átomos de espessura pode prender e transportar luz – e pode ser usado para aplicações. O material é visível como uma linha fina no centro do plástico, realizada pelo coautor do estudo, Hanyu Hong. Crédito: Jean Lachat
Direcionar a luz de um lugar para outro é a espinha dorsal do nosso mundo moderno. Sob os oceanos e através dos continentes, os cabos de fibra ótica transportam luz que codifica tudo, desde vídeos do YouTube até transmissões bancárias – tudo dentro de fios do tamanho de um fio de cabelo.
O professor Jiwoong Park, da Universidade de Chicago, no entanto, se perguntou o que aconteceria se você fizesse fios ainda mais finos e planos - na verdade, tão finos que na verdade são 2D em vez de 3D. O que aconteceria com a luz ?
Por meio de uma série de experimentos inovadores, ele e sua equipe descobriram que uma folha de cristal de vidro com apenas alguns átomos de espessura poderia prender e transportar luz. Além disso, era surpreendentemente eficiente e podia percorrer distâncias relativamente longas – até um centímetro, o que é muito longe no mundo da computação baseada em luz.
A pesquisa, publicada na Science , demonstra o que são circuitos fotônicos essencialmente 2D e pode abrir caminhos para novas tecnologias.
"Ficamos totalmente surpresos com o quão poderoso é esse cristal superfino; ele não apenas pode reter energia, mas também distribuí-la mil vezes mais do que qualquer um já viu em sistemas semelhantes", disse o principal autor do estudo, Jiwoong Park, professor e presidente da química e membro do corpo docente do James Franck Institute e da Pritzker School of Molecular Engineering. “A luz aprisionada também se comportou como se estivesse viajando em um espaço 2D”.
Luz guia
O sistema recém-inventado é uma maneira de guiar a luz – conhecida como guia de ondas – que é essencialmente bidimensional. Em testes, os pesquisadores descobriram que poderiam usar prismas, lentes e interruptores extremamente pequenos para guiar o caminho da luz ao longo de um chip – todos os ingredientes para circuitos e cálculos.
O Prof. Jiwoong Park (à esquerda) e o cientista Hanyu Hong (à direita) no laboratório de laser, onde confirmaram que o material pode transportar luz – embora seja menor que a própria luz. Crédito: Jean Lachat
Circuitos fotônicos já existem, mas são muito maiores e tridimensionais. Crucialmente, nos guias de onda existentes, as partículas de luz - chamadas fótons - sempre viajam dentro do guia de ondas.
Com esse sistema, explicaram os cientistas, o cristal de vidro é na verdade mais fino que o próprio fóton – então parte do fóton realmente se projeta para fora do cristal enquanto ele viaja.
É um pouco como a diferença entre construir um tubo para enviar malas pelo aeroporto e colocá-las em cima de uma esteira rolante. Com uma correia transportadora, as malas ficam abertas para o ar e você pode vê-las e ajustá-las facilmente no caminho. Essa abordagem torna muito mais fácil construir dispositivos intrincados com os cristais de vidro, pois a luz pode ser facilmente movida com lentes ou prismas.
Os fótons também podem obter informações sobre as condições ao longo do caminho. Pense em verificar as malas que chegam de fora para ver se está nevando lá fora. Da mesma forma, os cientistas podem imaginar o uso desses guias de onda para fazer sensores no nível microscópico.
"Por exemplo, digamos que você tenha uma amostra de líquido e queira sentir se uma determinada molécula está presente", explicou Park. "Você poderia projetá-lo para que este guia de ondas viaje através da amostra, e a presença dessa molécula mudaria o comportamento da luz."
Os cientistas também estão interessados ??em construir circuitos fotônicos muito finos que possam ser empilhados para integrar muitos outros dispositivos minúsculos na mesma área de chip. O cristal de vidro usado nesses experimentos era dissulfeto de molibdênio , mas os princípios deveriam funcionar para outros materiais.
Embora os cientistas teóricos tenham previsto que esse comportamento deveria existir, realizá-lo no laboratório foi uma jornada de anos, disseram os cientistas.
"Foi um problema realmente desafiador, mas satisfatório, porque estávamos entrando em um campo completamente novo. Então, tudo o que precisávamos, tínhamos que criar nós mesmos - desde o cultivo do material até a medição de como a luz estava se movendo", disse o estudante de pós-graduação Hanyu Hong, o coprimeiro autor do artigo.
Mais informações: Myungjae Lee et al, guias de onda ? em escala de bolacha para fotônica bidimensional integrada, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi2322
Informações da revista: Science