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Não é fácil ser ecológico.
Durante anos, cientistas fabricaram pequenos lasers de alta qualidade que geram luz vermelha e azul. No entanto, o método que eles normalmente empregam — injetar corrente elétrica em semicondutores — não funcionou tão bem na construção de pequenos lasers que emitem luz em comprimentos de onda amarelos e verdes. Pesquisadores se referem à escassez de lasers estáveis e em miniatura nessa região do espectro de luz visível como a “lacuna verde”. Preencher essa lacuna abre novas oportunidades em comunicações subaquáticas, tratamentos médicos e muito mais.
Os ponteiros laser verdes existem há 25 anos, mas produzem luz apenas em um espectro estreito de verde e não são integrados em chips onde poderiam trabalhar em conjunto com outros dispositivos para executar tarefas úteis.
Agora, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) fecharam a lacuna verde modificando um pequeno componente óptico: um microrressonador em forma de anel, pequeno o suficiente para caber em um chip.
Uma fonte em miniatura de luz laser verde poderia melhorar a comunicação subaquática porque a água é quase transparente para comprimentos de onda azul-esverdeados na maioria dos ambientes aquáticos. Outras aplicações potenciais são em exibições de projeção a laser em cores e tratamento a laser de condições médicas, incluindo retinopatia diabética, uma proliferação de vasos sanguíneos no olho.
Lasers compactos nessa faixa de comprimento de onda também são importantes para aplicações em computação quântica e comunicação, pois eles poderiam potencialmente armazenar dados em qubits, a unidade fundamental de informação quântica. Atualmente, essas aplicações quânticas dependem de lasers que são maiores em tamanho, peso e potência, limitando sua capacidade de serem implantados fora do laboratório.
Por vários anos, uma equipe liderada por Kartik Srinivasan do NIST e do Joint Quantum Institute (JQI), uma parceria de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland, usou microrressonadores compostos de nitreto de silício para converter luz laser infravermelha em outras cores. Quando a luz infravermelha é bombeada para o ressonador em forma de anel, a luz circula milhares de vezes até atingir intensidades altas o suficiente para interagir fortemente com o nitreto de silício. Essa interação, conhecida como oscilação paramétrica óptica (OPO), produz dois novos comprimentos de onda de luz, chamados de idler e sinal.
Em estudos anteriores, os pesquisadores geraram algumas cores individuais de luz laser visível. Dependendo das dimensões do microrressonador, que determinam as cores da luz geradas, os cientistas produziram comprimentos de onda vermelho, laranja e amarelo, bem como um comprimento de onda de 560 nanômetros, bem na ponta peluda entre a luz amarela e verde. No entanto, a equipe não conseguiu gerar o complemento total de cores amarela e verde necessário para preencher a lacuna verde.
“Não queríamos ser bons em atingir apenas alguns comprimentos de onda”, disse o cientista do NIST Yi Sun, um colaborador do novo estudo. “Queríamos acessar toda a faixa de comprimentos de onda na lacuna.”
Para preencher a lacuna, a equipe modificou o microrressonador de duas maneiras. Primeiro, os cientistas o engrossaram ligeiramente. Ao mudar suas dimensões, os pesquisadores geraram mais facilmente luz que penetrou mais profundamente na lacuna verde, para comprimentos de onda tão curtos quanto 532 nanômetros (bilionésimos de metro). Com esse alcance estendido, os pesquisadores cobriram toda a lacuna.
Além disso, a equipe expôs o microrressonador a mais ar, removendo parte da camada de dióxido de silício abaixo dele. Isso teve o efeito de tornar as cores de saída menos sensíveis às dimensões do microanel e ao comprimento de onda da bomba infravermelha. A menor sensibilidade deu aos pesquisadores mais controle na geração de comprimentos de onda verde, amarelo, laranja e vermelho ligeiramente diferentes de seu dispositivo.
Como resultado, os pesquisadores descobriram que podiam criar mais de 150 comprimentos de onda distintos através da lacuna verde e ajustá-los. “Anteriormente, podíamos fazer grandes mudanças — vermelho para laranja, amarelo para verde — nas cores do laser que podíamos gerar com OPO, mas era difícil fazer pequenos ajustes dentro de cada uma dessas faixas de cores”, observou Srinivasan.
Os cientistas agora estão trabalhando para aumentar a eficiência energética com a qual produzem as cores do laser de gap verde. Atualmente, a potência de saída é apenas alguns por cento daquela do laser de entrada. Melhor acoplamento entre o laser de entrada e o guia de onda que canaliza a luz para o microrressonador, juntamente com melhores métodos de extração da luz gerada, poderia melhorar significativamente a eficiência.
Os pesquisadores, que incluem Jordan Stone e Xiyuan Lu do JQI, juntamente com Zhimin Shi do Meta’s Reality Labs Research em Redmond, Washington, relataram suas descobertas em 21 de agosto online em Luz: Ciência e Aplicações.
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