Dispositivo possibilita explorar espalhamento de luz por vibrações mecânicas | AGÊNCIA FAPESP

Dispositivo possibilita explorar espalhamento de luz por vibrações mecânicas  Simulação numérica de ondas acústicas propagando-se na borda dos microdiscos. A deformação representa a movimentação causada pela onda acústica, enquanto a escala de cores falsas representa a intensidade do campo eletromagnético da luz nas superfícies do disco

Dispositivo possibilita explorar espalhamento de luz por vibrações mecânicas

28 de março de 2017

Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) desenvolveram teoricamente um dispositivo fotônico de silício que poderá viabilizar a interação entre ondas ópticas e mecânicas que vibram na faixa de dezenas de gigahertz (GHz).

Resultado dos projetos “Nanofotônica em semicondutores dos Grupos IV e III-V” e “Optomecânica em cristais fotônicos e fonônicos”, ambos apoiados pela FAPESP na modalidade Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes, o dispositivo, desenvolvido durante o doutorado de Yovanny Espinel, foi descrito em um artigo publicado na revista Scientific Reports, do grupo Nature.

“Propusemos por meio de simulações computacionais um dispositivo que permitiria explorar um mecanismo de espalhamento de luz por vibrações mecânicas – chamado espalhamento Brillouin –, que poderia ser transposto para microchips fotônicos”, disse Gustavo Silva Wiederhecker, professor do IFGW-Unicamp e coordenador do projeto, à Agência FAPESP.

O pesquisador e seu grupo na Unicamp têm se dedicado a estudar nos últimos anos o mecanismo, descrito inicialmente em 1922 pelo físico francês León Nicolas Brillouin (1889 – 1969), em que, ao passar por um meio transparente, a luz (fótons) interage com vibrações elásticas (fênons) de altíssimas frequências, da ordem de dezenas de GHz.

Esse efeito só pôde ser explorado eficientemente a partir dos anos 1960 com a invenção do laser pelo físico norte-americano Theodore Harold Maiman (1927 – 2007).

Na época, observou-se que, dependendo da potência com que a luz é irradiada em uma fibra óptica por uma fonte de laser, o campo eletromagnético da luz excita ondas acústicas que se propagam ao longo do material e espalham a luz em uma nova frequência, diferente da irradiada originalmente pelo laser.

“Esse mecanismo de espalhamento de luz é facilmente observável em fibras ópticas, que pode ter extensão de centenas de quilômetros, porque é acumulativo [vai se somando ao longo do material]”, afirmou Wiederhecker.

“Mas é mais difícil de ser observado e explorado em um dispositivo optomecânico [capaz de confinar simultaneamente ondas de luz e mecânicas, de modo a possibilitar que interajam], em escala micrométrica, em razão do seu tamanho diminuto para circulação da luz”, explicou.

Microcavidades

A fim de superar essa limitação do tamanho do material para propagação da luz, o pesquisador e seu grupo vêm desenvolvendo discos de silício de aproximadamente 10 mícrons (μm) de diâmetro – o equivalente a um décimo da espessura de um fio de cabelo – que atuam como microcavidades.

Com a ajuda de uma fibra óptica de, aproximadamente, 2 μm de diâmetro, os pesquisadores acoplam luz nesse sistema. E, graças à reflexão que a luz sofre na borda do material, ela dá milhares de voltas na cavidade do disco durante alguns nanossegundos até se dissipar.

Com isso, a luz fica um tempo muito maior na cavidade, interage mais vezes com a matéria e os efeitos optomecânicos são aumentados. “É como se a luz tivesse se propagado por uma distância bem maior”, explicou Wiederhecker.

O problema, contudo, é que essa microcavidade na forma de disco não permite que a luz de qualquer frequência seja ressonante – se propague por elas –, a despeito de possibilitar que a luz irradiada originalmente pelo laser seja propagada. “Isso inviabiliza a possibilidade de se explorar o efeito de espalhamento Brillouin nessas microcavidades”, afirmou o pesquisador.

Por meio de simulações computacionais, os pesquisadores propuseram teoricamente construir não um microdisco com uma cavidade, mas um sistema composto por dois microdiscos de silício com uma cavidade cada um, acoplados lateralmente, sendo a distância entre suas cavidades extremamente pequena – da ordem de centenas de nanômetros (a bilionésima parte do metro),criando um efeito chamado de separação de frequência.

O efeito possibilita fazer uma pequena separação da frequência da luz espalhada pela onda acústica da luz emitida pelo laser, da ordem de 11 a 25 GHz – que é exatamente a mesma das ondas mecânicas – e garantir que os milhares de fônons (excitações elementares das ondas acústicas) gerados por segundo neste sistema (em taxas que variam de 50 a 90 KHz) possam se propagar nas cavidades.

Dessa forma, é possível observar e explorar o espalhamento Brillouin nesse sistema micrométrico, estimou Wiederhecker.

“Mostramos que com um laser com uma potência da ordem de 1miliwatt – que é equivalente à potência de um laser usado em um apontador para apresentações em Power Point, por exemplo – seria possível observar o efeito de espalhamento Brillouin em um sistema com duas cavidades”, afirmou.

O artigo “Brillouin optomechanics in coupled silicon microcavities” (doi: 10.1038/srep43423), de Espinel e outros, pode ser lido na revista Scientific Reports em www.nature.com/articles/srep43423.
 

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