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Até recentemente, acreditava-se amplamente entre os físicos que era impossível comprimir a luz abaixo do chamado limite de difração, exceto quando se usa nanopartículas metálicas, que infelizmente também absorvem luz. Portanto, parecia impossível comprimir a luz fortemente em materiais dielétricos como o silício, que são materiais-chave nas tecnologias da informação e vêm com a importante vantagem de não absorverem luz. Curiosamente, foi mostrado teoricamente já em 2006 que o limite de difração também não se aplica aos dielétricos. Ainda assim, ninguém conseguiu mostrar isso no mundo real, simplesmente porque requer uma nanotecnologia tão avançada que ninguém conseguiu construir as nanoestruturas dielétricas necessárias até agora.
Uma equipe de pesquisa da DTU projetou e construiu com sucesso uma estrutura, a chamada nanocavidade dielétrica, que concentra a luz em um volume 12 vezes abaixo do limite de difração. O resultado é inovador na pesquisa óptica e acaba de ser publicado em Comunicações da Natureza.
“Embora os cálculos de computador mostrem que você pode concentrar a luz em um ponto infinitamente pequeno, isso só se aplica em teoria. Os resultados reais são limitados pela forma como pequenos detalhes podem ser feitos, por exemplo, em um microchip”, diz Marcus Albrechtsen, estudante de doutorado na DTU Electro e primeiro autor do novo artigo.
“Programamos nosso conhecimento da nanotecnologia fotônica real e suas limitações atuais em um computador. Então pedimos ao computador para encontrar um padrão que coletasse os fótons em uma área sem precedentes – em uma nanocavidade óptica – que também fomos capazes de construir no laboratório.”
As nanocavidades ópticas são estruturas especialmente projetadas para reter a luz para que ela não se propague como estamos acostumados, mas é jogada para frente e para trás como se você colocasse dois espelhos um de frente para o outro. Quanto mais perto você colocar os espelhos um do outro, mais intensa será a luz entre os espelhos. Para este experimento, os pesquisadores projetaram a chamada estrutura bowtie, que é particularmente eficaz em comprimir os fótons devido à sua forma especial.
Esforços interdisciplinares e métodos excelentes
A nanocavidade é feita de silício, o material dielétrico no qual se baseia a mais avançada tecnologia moderna. O material para a nanocavidade foi desenvolvido em laboratórios de salas limpas da DTU, e os padrões nos quais a cavidade se baseia são otimizados e projetados usando um método exclusivo de otimização de topologia desenvolvido na DTU. Inicialmente desenvolvido para projetar pontes e asas de aeronaves, agora também é usado para estruturas nanofotônicas.
“Foi necessário um grande esforço conjunto para alcançar esse avanço. Só foi possível porque conseguimos combinar pesquisas líderes mundiais de vários grupos de pesquisa da DTU”, diz o professor associado Søren Stobbe, que liderou o trabalho de pesquisa.
Avanço importante para tecnologia de eficiência energética
A descoberta pode ser decisiva para o desenvolvimento de novas tecnologias revolucionárias que podem reduzir a quantidade de componentes que consomem energia em data centers, computadores, telefones, etc.
O consumo de energia para computadores e data centers continua crescendo e há necessidade de arquiteturas de chip mais sustentáveis que usem menos energia. Isso pode ser conseguido substituindo os circuitos elétricos por componentes ópticos. A visão dos pesquisadores é usar a mesma divisão de trabalho entre luz e elétrons usada para a Internet, onde a luz é usada para comunicação e a eletrônica para processamento de dados. A única diferença é que ambas as funcionalidades devem ser embutidas no mesmo chip, o que exige que a luz seja comprimida no mesmo tamanho dos componentes eletrônicos. O avanço na DTU mostra que é, de fato, possível.
“Não há dúvida de que este é um passo importante para o desenvolvimento de uma tecnologia mais eficiente em termos de energia para, por exemplo, nanolasers para conexões ópticas em data centers e futuros computadores – mas ainda há um longo caminho a percorrer”, diz Marcus Albrechtsen.
Os pesquisadores agora trabalharão mais e refinarão métodos e materiais para encontrar a solução ideal.
“Agora que temos a teoria e o método, seremos capazes de produzir fótons cada vez mais intensos à medida que a tecnologia ao redor se desenvolve. Estou convencido de que este é apenas o primeiro de uma longa série de grandes desenvolvimentos em física e nanotecnologia fotônica centrados em esses princípios”, diz Søren Stobbe, que recentemente recebeu um Consolidator Grant do Conselho Europeu de Pesquisa de € 2 milhões para o desenvolvimento de um tipo completamente novo de fonte de luz com base nas novas cavidades.
Fundo
O limite de difração
A teoria do limite de difração descreve que a luz não pode ser focada em um volume menor que a metade do comprimento de onda em um sistema óptico – por exemplo, isso se aplica à resolução em microscópios.
No entanto, as nanoestruturas podem consistir em elementos muito menores que o comprimento de onda, o que significa que o limite de difração não é mais um limite fundamental. Estruturas de gravata borboleta, em particular, podem comprimir a luz em volumes muito pequenos limitados pelos tamanhos da gravata e, portanto, pela qualidade da nanofabricação.
Quando a luz é comprimida, torna-se mais intensa, aumentando as interações entre a luz e materiais como átomos, moléculas e materiais 2D.
Materiais dielétricos
Materiais dielétricos são eletricamente isolantes. Vidro, borracha e plástico são exemplos de materiais dielétricos e contrastam com os metais, que são eletricamente condutores.
Um exemplo de material dielétrico é o silício, que é frequentemente usado em eletrônica, mas também em fotônica.
A pesquisa foi realizada na DTU nos departamentos DTU Electro, DTU Nanolab e DTU Construct como parte da colaboração no centro de excelência DNRF NanoPhoton, liderado pelo professor Jesper Mørk.
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