Nanodisco exclusivo impulsiona a pesquisa fotônica

Aplicações fotônicas aproveitam o poder das interações luz-matéria para gerar vários fenômenos intrigantes. Isso permitiu grandes avanços em comunicações, medicina e espectroscopia, entre outros, e também é usado em tecnologias de laser e quântica.

Agora, pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Tecnologia Chalmers conseguiram combinar dois grandes campos de pesquisa — nanofotônica não linear e de alto índice — em um único nanoobjeto semelhante a um disco.

“Ficamos surpresos e felizes com o que conseguimos alcançar. A estrutura em forma de disco é muito menor do que o comprimento de onda da luz, mas é um conversor de frequência de luz muito eficiente. Também é 10.000 vezes, ou talvez até mais, mais eficiente do que o material não estruturado do mesmo tipo, provando que a nanoestruturação é a maneira de aumentar a eficiência”, diz o doutor Georgii Zograf, autor principal do artigo em Fotônica da Natureza onde os resultados da pesquisa são apresentados.

Uma nova fabricação sem perda de propriedades

Um tanto simplificado, é uma combinação de material e ressonâncias ópticas com a capacidade de converter frequência de luz por meio da não linearidade de um cristal que os pesquisadores combinaram no nanodisco. Em sua fabricação, eles usaram dichalcogeneto de metal de transição (TMD), ou seja, dissulfeto de molibdênio, um material atomicamente fino que tem excelentes propriedades ópticas em temperatura ambiente. O problema com o material, no entanto, é que é muito difícil empilhá-lo sem perder suas propriedades não lineares devido às restrições de simetria da rede cristalina.

“Nós fabricamos pela primeira vez um nanodisco de dissulfeto de molibdênio especificamente empilhado que preserva a simetria inversa quebrada em seu volume e, portanto, mantém a não linearidade óptica. Tal nanodisco pode manter as propriedades ópticas não lineares de cada camada única. Isso significa que os efeitos do material são mantidos e aprimorados”, diz Zograf.

O material tem um alto índice de refração, o que significa que a luz pode ser comprimida de forma mais eficaz neste meio. Além disso, o material tem a vantagem de ser transferível em qualquer substrato sem a necessidade de combinar a rede atômica com o material subjacente.

A nanoestrutura também é muito eficiente em localizar o campo eletromagnético e gerar luz de frequência dobrada a partir dele, um efeito chamado geração de segundo harmônico. É um fenômeno óptico chamado não linear, por exemplo, semelhante aos efeitos de geração de frequência de soma e diferença usados ​​em sistemas de laser pulsado de alta energia.

Assim, este nanodisco combina extrema não linearidade com um alto índice de refração em uma única estrutura compacta.

Um grande passo à frente para a pesquisa óptica

“Nosso material e design propostos são de última geração devido às propriedades ópticas não lineares inerentes extremamente altas e às propriedades ópticas lineares notáveis ​​— um índice de refração de 4,5 na faixa óptica visível. Essas duas propriedades tornam nossa pesquisa tão nova e potencialmente atraente até mesmo para a indústria”, diz Zograf.

“É realmente um marco, particularmente devido ao tamanho extremamente pequeno do disco. A geração de segundo harmônico e outras não linearidades são usadas em lasers todos os dias, mas as plataformas que as utilizam estão tipicamente na escala centimétrica. Em contraste, a escala do nosso objeto é de cerca de 50 nanômetros, então é uma estrutura cerca de 100.000 vezes mais fina”, diz o líder da pesquisa, Professor Timur Shegai.

Os pesquisadores acreditam que o trabalho do nanodisco impulsionará a pesquisa fotônica. A longo prazo, as dimensões incrivelmente compactas dos materiais TMD, combinadas com suas propriedades únicas, poderiam ser potencialmente usadas em aplicações ópticas e fotônicas avançadas. Por exemplo, essas estruturas poderiam ser integradas em vários tipos de circuitos ópticos ou usadas em miniaturizações de fotônica.

“Acreditamos que ele pode contribuir para futuros experimentos de nanofotônica não linear de vários tipos, tanto quânticos quanto clássicos. Ao ter a capacidade de nanoestruturar esse material único, poderíamos reduzir drasticamente o tamanho e aumentar a eficiência de dispositivos ópticos, como matrizes de nanodiscos e metassuperfícies.

“Essas inovações podem ser usadas para aplicações em óptica não linear e na geração de pares de fótons emaranhados. Este é um primeiro pequeno passo, mas muito importante. Estamos apenas arranhando a superfície”, diz Shegai.