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A maneira como os elétrons interagem com os fótons de luz é uma parte fundamental de muitas tecnologias modernas, de lasers a painéis solares e LEDs. Mas a interação é inerentemente fraca por causa de uma grande incompatibilidade de escala: um comprimento de onda da luz visível é cerca de 1.000 vezes maior que um elétron, então a maneira como as duas coisas se afetam é limitada por essa disparidade.
Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares criaram uma maneira inovadora de possibilitar interações muito mais fortes entre fótons e elétrons, no processo produzindo um aumento de cem vezes na emissão de luz de um fenômeno chamado radiação Smith-Purcell. A descoberta tem implicações potenciais tanto para aplicações comerciais quanto para pesquisa científica fundamental, embora exija mais anos de pesquisa para torná-la prática.
Os resultados são relatados hoje na revista Naturezaem um artigo dos pós-doutorandos do MIT Yi Yang (agora professor assistente na Universidade de Hong Kong) e Charles Roques-Carmes, dos professores do MIT Marin Soljačić e John Joannopoulos, e cinco outros no MIT, Harvard University e Technion-Israel Institute of Tecnologia.
Em uma combinação de simulações de computador e experimentos de laboratório, a equipe descobriu que, usando um feixe de elétrons em combinação com um cristal fotônico especialmente projetado – uma placa de silício em um isolante, gravada com uma série de orifícios em escala nanométrica – eles poderiam preveem teoricamente uma emissão mais forte em muitas ordens de magnitude do que normalmente seria possível na radiação Smith-Purcell convencional. Eles também registraram experimentalmente um aumento de cem vezes na radiação em suas medições de prova de conceito.
Ao contrário de outras abordagens para produzir fontes de luz ou outra radiação eletromagnética, o método baseado em elétrons livres é totalmente sintonizável – ele pode produzir emissões de qualquer comprimento de onda desejado, simplesmente ajustando o tamanho da estrutura fotônica e a velocidade dos elétrons. Isso pode torná-lo especialmente valioso para fazer fontes de emissão em comprimentos de onda que são difíceis de produzir com eficiência, incluindo ondas de terahertz, luz ultravioleta e raios-X.
Até agora, a equipe demonstrou o aumento de cem vezes na emissão usando um microscópio eletrônico reaproveitado para funcionar como uma fonte de feixe de elétrons. Mas eles dizem que o princípio básico envolvido poderia potencialmente permitir melhorias muito maiores usando dispositivos especificamente adaptados para essa função.
A abordagem é baseada em um conceito chamado flatbands, que tem sido amplamente explorado nos últimos anos pela física da matéria condensada e fotônica, mas nunca foi aplicado para afetar a interação básica de fótons e elétrons livres. O princípio subjacente envolve a transferência de momento do elétron para um grupo de fótons, ou vice-versa. Enquanto as interações convencionais de luz-elétron dependem da produção de luz em um único ângulo, o cristal fotônico é ajustado de forma a permitir a produção de toda uma gama de ângulos.
O mesmo processo também pode ser usado na direção oposta, usando ondas de luz ressonantes para impulsionar elétrons, aumentando sua velocidade de uma forma que poderia ser potencialmente aproveitada para construir aceleradores de partículas miniaturizados em um chip. Em última análise, eles podem desempenhar algumas funções que atualmente exigem túneis subterrâneos gigantes, como o Grande Colisor de Hádrons de 30 quilômetros de largura na Suíça.
“Se você pudesse realmente construir aceleradores de elétrons em um chip”, diz Soljačić, “poderia fazer aceleradores muito mais compactos para algumas das aplicações de interesse, o que ainda produziria elétrons muito energéticos. Isso obviamente seria enorme. Para muitas aplicações, você não teria que construir essas instalações enormes.”
O novo sistema também pode fornecer um feixe de raios X altamente controlável para fins de radioterapia, diz Roques-Carmes.
E o sistema pode ser usado para gerar múltiplos fótons emaranhados, um efeito quântico que pode ser útil na criação de sistemas computacionais e de comunicação baseados em quantum, dizem os pesquisadores. “Você pode usar elétrons para acoplar muitos fótons, o que é um problema consideravelmente difícil se usar uma abordagem puramente óptica”, diz Yang. “Essa é uma das direções futuras mais emocionantes do nosso trabalho.”
Ainda resta muito trabalho para traduzir essas novas descobertas em dispositivos práticos, adverte Soljačić. Pode levar alguns anos para desenvolver as interfaces necessárias entre os componentes ópticos e eletrônicos e como conectá-los em um único chip, e desenvolver a fonte de elétrons necessária no chip produzindo uma frente de onda contínua, entre outros desafios.
“A razão pela qual isso é empolgante”, acrescenta Roques-Carmes, “é porque esse é um tipo de fonte bem diferente”. Embora a maioria das tecnologias para geração de luz seja restrita a faixas muito específicas de cor ou comprimento de onda, “geralmente é difícil mover essa frequência de emissão. Aqui é completamente ajustável. Simplesmente alterando a velocidade dos elétrons, você pode alterar a frequência de emissão. . .. Isso nos entusiasma com o potencial dessas fontes. Por serem diferentes, oferecem novos tipos de oportunidades.”
Mas, conclui Soljačić, “para que se tornem realmente competitivos com outros tipos de fontes, acho que serão necessários mais alguns anos de pesquisa. Eu diria que com algum esforço sério, em dois a cinco anos eles podem começar a competir em pelo menos algumas áreas de radiação.”
A equipe de pesquisa também incluiu Steven Kooi no Instituto de Nanotecnologias para Soldados do MIT, Haoning Tang e Eric Mazur na Universidade de Harvard, Justin Beroz no MIT e Ido Kaminer no Technion-Israel Institute of Technology. O trabalho foi financiado pelo US Army Research Office através do Institute for Soldier Nanotechnologies, o US Air Force Office of Scientific Research e o US Office of Naval Research.
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