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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 da Universidade de Chicago, Jiwoong Park, 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 em 10 de agosto na Ciência, 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 longe 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.
Circuitos fotônicos já existem, mas são muito maiores e tridimensionais. Crucialmente, nos guias de ondas existentes, as partículas de luz – chamadas fótons – sempre viajam fechadas dentro o guia de ondas.
Com este sistema, explicaram os cientistas, o cristal de vidro é realmente 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 gratificante, 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 co-primeiro autor do artigo.
Myungjae Lee (ex-pesquisador de pós-doutorado na UChicago, agora professor da Universidade Nacional de Seul) foi o outro primeiro co-autor do artigo. O pesquisador de pós-doutorado Jaehyung Yu, Fauzia Mujid (PhD’22, agora na Ecolab) e os alunos de pós-graduação Andrew Ye e Ce Liang também foram autores do artigo.
Os cientistas usaram o Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da Universidade de Chicago, as instalações de fabricação do Pritzker Nanofabrication Facility e o Cornell Center for Materials Research.
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