Cientistas demonstram guias de onda de perovskita inovadores com efeito de laser de borda

Circuitos fotônicos integrados operando em temperatura ambiente combinados com efeitos ópticos não lineares podem revolucionar o processamento de sinais clássico e quântico. Cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, em colaboração com outras instituições da Polônia, bem como da Itália, Islândia e Austrália, demonstraram a criação de cristais de perovskita com formas predefinidas que podem servir em fotônica não linear como guias de onda, acopladores, divisores e moduladores.

Os resultados da pesquisa, publicados na revista Materiais da Naturezadescrevem a fabricação dessas estruturas inovadoras e o efeito edge lasing. Em particular, esse efeito está associado à formação do condensado de exciton-polaritons, que são quasipartículas que se comportam parcialmente como luz e parcialmente como matéria.

A professora Barbara Piętka da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, uma das iniciadoras do projeto e responsável pelo processo de pesquisa, enfatiza: “As perovskitas exibem grande versatilidade: de camadas policristalinas, nano e microcristais a cristais em massa. Elas podem ser usadas em várias aplicações, de células solares a lasers.

“Alguns, como o CsPbBr₃ (césio-chumbo-brometo) que usamos, também são semicondutores ideais para aplicações ópticas devido à sua alta energia de ligação de excitons e força do oscilador. Esses efeitos permitem interações de luz aprimoradas, reduzindo significativamente a energia necessária para amplificação de luz não linear.”

Os pesquisadores aplicaram métodos de síntese repetíveis e escaláveis ​​para obter cristais de perovskita com dimensões e formas precisamente definidas. Eles usaram uma abordagem microfluídica, onde os cristais são cultivados a partir de uma solução em moldes de polímero estreitos que podem ser impressos com qualquer forma de um modelo.

Um elemento-chave era controlar a concentração da solução e as temperaturas de crescimento, mantendo uma atmosfera de vapores de solvente saturados. Essa abordagem, combinada com o uso de moldes de arsenieto de gálio quase atomicamente suaves feitos usando litografia de feixe de elétrons e gravação de plasma na Łukasiewicz Research Network—Institute of Microelectronics and Photonics sob a liderança de Anna Szerling, produziu monocristais de alta qualidade.

Dessa forma, CsPbBr₃ cristais podem ser formados em qualquer formato com cantos simples para curvas suaves, o que é uma verdadeira conquista no mundo dos materiais cristalinos. Eles podem ser fabricados em qualquer substrato, aumentando sua compatibilidade com dispositivos fotônicos existentes.

Mateusz Kędziora, aluno de doutorado na Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e primeiro autor do artigo que desenvolveu os métodos de síntese de cristais, acrescenta: “Esses cristais, devido à sua alta qualidade, formam ressonadores do tipo Fabry-Pérot em suas paredes, permitindo que fortes efeitos não lineares sejam observados sem a necessidade de espelhos de Bragg externos”, o que oferece esperança para a aplicação desses materiais em circuitos fotônicos integrados.

A demonstração do laser polaritônico a partir das interfaces e cantos dos microfios marca outro avanço.

“O comprimento de onda da luz emitida é modificado pelos efeitos de interações fortes luz-matéria, indicando que a emissão é devida à formação de um condensado de Bose-Einstein fora de equilíbrio de exciton-polaritons. Portanto, este não é um laser convencional devido ao efeito Purcell (acoplamento fraco), mas emissão de um condensado no regime de acoplamento forte luz-matéria”, explica Piętka.

“A alta coerência entre diferentes sinais da luz emitida pelas bordas e cantos, confirmada na fotoluminescência de campo distante e na espectroscopia de resolução angular, indica a formação de um condensado de polariton coerente e macroscopicamente estendido”, acrescenta o Dr. Helgi Sigurðsson da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e do Instituto de Ciências da Universidade da Islândia em Reykjavik.

Uma confirmação adicional de efeitos não lineares é o aumento de energia com o aumento da população de um determinado modo (conhecido como desvio para o azul), que é um resultado de interações dentro do condensado. Graças às propriedades únicas das estruturas de perovskita, o condensado pode viajar longas distâncias dentro dos cristais, e a luz emitida pode se propagar através de lacunas de ar para estruturas vizinhas.

“Nossas simulações mostram como ressonadores naturalmente formados para modos de luz e dispersão afetam a emissão de bordas e curvas nos cristais”, acrescenta o Dr. Andrzej Opala, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e do Instituto de Física da Academia Polonesa de Ciências, um dos principais autores do artigo e desenvolvedor do modelo teórico que mostra como a abertura numérica e o confinamento espacial em microfios afetam os efeitos observados.

“Além disso, graças aos cálculos baseados na resolução das equações de Maxwell em estruturas tridimensionais com formas complexas, fomos capazes de visualizar modos fotônicos e mostrar como suas imagens se formam no campo distante”, explica o Prof. Tomasz Czyszanowski da Universidade de Tecnologia de Lodz, especialista em simulações de estruturas fotônicas e de laser. A descoberta permite seu uso em sistemas compactos “on-chip” que podem lidar com tarefas de computação clássica e quântica.

“Prevemos que nossas descobertas abrirão as portas para futuros dispositivos que podem operar no nível de fótons individuais, integrando nanolasers com guias de onda e outros elementos em um único chip”, conclui o Prof. Michał Matuszewski do Centro de Física Teórica da Academia Polonesa de Ciências.

Perovskitas podem desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento futuro de tecnologias ópticas, e as descobertas de físicos da UW podem aumentar significativamente as chances de usar cristais de perovskita em fotônica não linear operando em temperatura ambiente. Além disso, as estruturas desenvolvidas podem ser compatíveis com a tecnologia de silício, aumentando ainda mais seu potencial de comercialização.