A maioria de nós não passa muito tempo pensando na luz, além de saber se podemos ou não ver o que estamos fazendo. Mas para os investigadores da área da fotônica, a luz é uma ferramenta que faz muito mais do que simplesmente iluminar o nosso mundo. Fotônica é a ciência e a tecnologia de controle da luz – manipulando seu comportamento com estruturas cristalinas precisas, codificando informações em seus comprimentos de onda, usando-as para desencadear reações químicas ou aplicando qualquer outra série de técnicas. Os investigadores da fotônica estão a trabalhar para melhorar a nossa eletrônica, ajudar-nos a viver de forma mais sustentável e proporcionar uma melhor compreensão da nossa saúde e bem-estar.

“Uma das melhores coisas sobre a luz é que ela é onipresente”, disse Dan Congreve , professor assistente de engenharia elétrica em Stanford que trabalha com fotônica. "Está em toda parte; sabemos como gerá-lo; sabemos como aproveitá-lo. E à medida que continuamos a desenvolver um controle cada vez mais preciso sobre essas coisas, a luz se torna uma ferramenta extremamente poderosa.”

A pesquisa fotônica em Stanford está em andamento desde 1960. Joseph Goodman, um dos primeiros pioneiros na área e agora professor emérito, fez avanços significativos na imagem óptica e escreveu um livro fundamental sobre o assunto. A universidade também esteve no centro de vários desenvolvimentos iniciais em tecnologia laser – particularmente nos grupos de Engenharia Elétrica de Anthony Siegman e Stephen Harris – e continuou a desenvolver o campo à medida que se tornou cada vez mais relevante para a vida moderna.

“É emocionante ver a progressão do campo de algo que era um pouco marginal na engenharia há algumas décadas para algo que é uma das principais direções estratégicas”, disse Jelena, professora Jensen Huang de Liderança Global em Stanford . “A engenharia elétrica costumava ser toda sobre elétrons, mas esse não é mais o caso.”

Durante décadas, a nossa tecnologia informática baseou-se no movimento dos electrões, mas há certas áreas onde os fotões – partículas de luz – provaram ser mais eficazes. Por exemplo, os cabos de fibra óptica, que enviam dados com pulsos de luz em vez de eletricidade, podem transmitir mais informações com mais rapidez e distâncias maiores do que a fiação de cobre. Num mundo onde dependemos cada vez mais das comunicações digitais, os dispositivos fotônicos poderiam ajudar a fornecer uma computação mais rápida, mais eficiente e mais segura.

“Algumas estimativas mostram que cerca de 10% de toda a eletricidade é usada para processamento de informações e esse número só está crescendo”, disse David Miller , professor de Engenharia Elétrica da Fundação WM Keck. “Estamos enviando quantidades cada vez maiores de informações através de chips internos para inteligência artificial e aprendizado de máquina. Isso não é sustentável. Precisamos de novas soluções.”

Jelena, Miller e seus colegas estão trabalhando em maneiras de usar a luz para substituir as conexões dos fios de cobre entre as peças eletrônicas dentro de um computador, como o processador e a memória. Ao contrário da fiação, a comunicação fotônica não produz calor, portanto os dados podem se mover mais rapidamente e consumir significativamente menos energia.

Existem também oportunidades para usar a natureza quântica da luz na computação e no processamento de informações, disse Jelena. As informações codificadas nos estados quânticos da luz seriam extremamente seguras, porque o sinal não poderia ser interceptado sem ser interrompido (resultado dos efeitos intrusivos da medição na física quântica). As propriedades quânticas da luz também poderiam ser aproveitadas para facilitar a construção de computadores quânticos poderosos.

Miller também está trabalhando com um grupo de pesquisadores em tecnologias baseadas em luz que reduzem a quantidade de energia necessária para treinar redes neurais. A equipe de Stanford projetou recentemente um chip fotônico que pode realizar uma parte desse treinamento de forma totalmente óptica.

“Você pode pegar a luz e propagá-la através de uma estrutura e esse processo realmente faz o cálculo”, disse Shanhui Fan , professor Joseph e Hon Mai Goodman na Escola de Engenharia.

Os pesquisadores aplicaram tecnologia fotônica semelhante ao blockchain – uma espécie de livro-razão digital para transferência segura de dados. O trabalho abre caminho para uma computação óptica eficiente e tem aplicações em criptomoedas, registros médicos, votação e muito mais.

“O objetivo é reduzir os custos de energia”, disse Olav Solgaard , professor Robert L. e Audrey S. Hancock na Escola de Engenharia. “Não podemos fazer todos os tipos de cálculos no domínio óptico, mas quando podemos, há uma clara vantagem no consumo de energia.”

A computação com eficiência energética é apenas uma das maneiras pelas quais a fotônica pode nos ajudar a viver de forma mais sustentável. Os pesquisadores estão usando a fotônica para melhorar os painéis solares, desenvolver sistemas eficientes de refrigeração doméstica e também combater a reciclagem de plástico.

Os painéis solares – talvez a aplicação mais visível da tecnologia fotônica – já recolhem luz e transformam-na em energia utilizável. No ano passado, Solgaard e a pesquisadora Nina Vaidya, que agora está na Universidade de Southampton, no Reino Unido, desenvolveram um dispositivo que poderia coletar e concentrar luz de qualquer ângulo, capturando a luz que, de outra forma, seria refletida em um painel solar. Adotando uma abordagem diferente, Congreve e seus colegas estão trabalhando em revestimentos para painéis solares que combinariam fótons inutilizáveis de baixa energia em fótons de alta energia que podem ser transformados em energia. Ambos os desenvolvimentos poderiam ajudar os painéis solares a captar mais energia e a reduzir a nossa dependência de combustíveis fósseis.

No laboratório de Fan, a equipe está trabalhando em minúsculas estruturas fotônicas que poderiam resfriar uma casa sem eletricidade. Eles construíram um dispositivo que reflete toda a luz solar que o atinge e irradia luz infravermelha, que sentimos como calor, de volta ao espaço.

“Parece um espelho muito, muito bom para os olhos humanos”, disse Fan. “Quando o colocamos no telhado do Packard Electrical Engineering Building, voltado para o céu, obtivemos uma temperatura cerca de 5 graus Celsius [9 graus Fahrenheit] abaixo da temperatura do ar ambiente, mesmo sob luz solar direta, sem a necessidade de qualquer energia. entrada."

Enquanto isso, Jennifer Dionne , professora associada de ciência e engenharia de materiais, está usando a luz como catalisador para quebrar vários tipos de plásticos em blocos de construção uniformes, para que possam ser reciclados mais facilmente.

“Podemos usar catalisadores movidos a luz para cortar polímeros plásticos em intervalos moleculares bem definidos”, disse Dionne. “Em comparação com abordagens mecânicas ou térmicas para decompor plásticos, a luz promete uma distribuição mais homogênea de hidrocarbonetos. O objetivo é permitir uma reciclagem de plástico mais eficiente e ajudar a criar um sistema de desperdício zero.”

A fotônica também abriu caminho em aplicações biológicas e de saúde. Dionne desenvolveu uma maneira de capturar assinaturas de dispersão vibracional induzidas pela luz criadas pelas células e usá-las como uma impressão digital para identificar bactérias. Seu laboratório está aplicando este trabalho para identificar rapidamente cepas de tuberculose e os antibióticos aos quais elas seriam mais suscetíveis.

“Nosso objetivo é substituir as abordagens demoradas e baseadas em cultura para testes de suscetibilidade a medicamentos por um teste mais rápido que possa detectar patógenos em amostras como muco ou águas residuais”, disse Dionne. “A fotônica dá-nos novas ferramentas para interrogar a composição molecular das amostras, enquanto os avanços na inteligência artificial permitem-nos interpretar esses sinais.”

Dionne também está desenvolvendo sistemas fotônicos para nos ajudar a aprender mais sobre como funciona o nosso corpo. Com Miriam B. Goodman , professora Sra. George A. Winzer de Biologia Celular na Stanford Medicine, ela construiu nanopartículas biocompatíveis que emitem diferentes cores de luz dependendo da quantidade de pressão a que são submetidas. As nanopartículas, que foram testadas em uma pequena espécie de verme, podem fornecer informações em tempo real sobre as forças mecânicas envolvidas nas interações celulares.

H. Tom Soh , professor de engenharia elétrica, de bioengenharia e de radiologia, está trabalhando em sensores moleculares baseados em luz que podem operar continuamente em nossos corpos. Para este fim, o seu laboratório criou “interruptores moleculares” que se ligam a moléculas específicas e mudam a sua forma, emitindo um pouco de luz quando o fazem. Ao detectar mudanças nessa luz, os pesquisadores puderam monitorar os níveis de uma ampla gama de moléculas-alvo, como medicamentos, hormônios e outros marcadores de doenças.

“Não seria incrível se pudéssemos medir continuamente o nosso estado molecular em tempo real?” Soh disse. “Isso abre a capacidade de detectar problemas de saúde antes que se tornem graves, e detectores fotônicos extremamente sensíveis podem nos permitir capturar esses sinais. Manter as pessoas saudáveis, em vez de esperar até que fiquem doentes, é onde acredito que o futuro da medicina e da nossa sociedade deve ir.”

Ainda há obstáculos a superar antes que muitos desses desenvolvimentos fotônicos cheguem à produção convencional. Os dispositivos nos chips fotônicos atuais são maiores que os eletrônicos, limitando onde e quando podem ser usados; as nanopartículas e os sensores necessitarão de mais testes antes de poderem ser utilizados em seres humanos; as estruturas fotônicas para concentrar ou refletir a luz precisam ser precisas ao nanômetro, mas construídas em camadas grandes o suficiente para, por exemplo, revestir um painel solar.

No caso de estruturas de precisão, a Congreve está trabalhando em uma solução baseada em fotônica. Usando a mesma conversão de fótons de baixa energia em alta energia que seu laboratório aplicou às células solares, Congreve projetou um método de impressão 3D de precisão baseado em luz. O objetivo é poder imprimir objetos de alta resolução em áreas maiores, permitindo a produção de nanoestruturas em uma escala que permita que sejam colocadas em funcionamento fora do laboratório.

“Quer você esteja tentando imprimir um cristal fotônico na parte de trás de uma célula solar ou em uma estrutura na qual você possa cultivar células e tecidos, a capacidade de imprimir em alta resolução em grande escala realmente permite essas aplicações”, disse Congreve.

A fotônica certamente não pode resolver todos os problemas, mas à medida que enfrentamos novos desafios na computação, no meio ambiente, na saúde e em outras áreas, ela está se tornando uma ferramenta cada vez mais importante em nosso currículo. Não é absurdo imaginar um futuro próximo onde as tecnologias baseadas na luz sejam integradas suavemente na vida quotidiana e as melhorias que elas trazem pareçam tão comuns como a electricidade.

“Inúmeros laboratórios aqui em Stanford e em todo o mundo estão trabalhando duro para descobrir todos os pequenos detalhes necessários para traduzir a pesquisa fotônica de ponta em aplicações práticas”, disse Congreve. “Estou entusiasmado em ver essas tecnologias causarem um impacto real na vida das pessoas.”