Cientistas estudam interação de luz e som em estruturas fotônicas

Efeitos resultantes da interação da luz com movimentos mecânicos poderá influir no desenvolvimento futuro de processadores, dispositivos eletrônicos e redes de comunicação

Heitor Shimizu, de Nova York  |  Agência FAPESP – O espalhamento de Brillouin – fenômeno que leva o nome do físico francês Léon Brillouin (1889-1969) – ocorre quando ondas de luz e vibrações mecânicas interagem dentro de um material. É observado quando fótons – as partículas elementares da força eletromagnética (ou, a grosso modo, partículas de luz) – incidem em um meio material, emitindo ou absorvendo fônons, que são a energia vibracional que decorre da oscilação coletiva de átomos. 

Em telecomunicações por fibra óptica, o espalhamento de Brillouin é um dos fatores que limitam as informações transmitidas, especialmente em linhas de comunicação de longa distância, onde alguns miliwatts (milésimo de watt) de potência são suficientes para que os fótons retornem à fonte emissora em vez de seguirem até o receptor. 

Pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) têm estudado esse e outros efeitos optomecânicos – resultantes da interação da luz com movimentos mecânicos – com o objetivo de conseguir manipulá-los. 

Thiago Pedro Mayer Alegre, professor no Departamento de Física Aplicada, é um dos pesquisadores principais do grupo e falou sobre a interação entre luz e som em estruturas fotônicas na FAPESP Week New York, realizada em conjunto com a City University of New York (CUNY) e o Wilson Center de 26 a 28 de outubro no Graduate Center da CUNY. 

“O aumento no confinamento proporcionado pelas estruturas físicas pode ser usado para afinar ou reforçar o acoplamento dinâmico entre fótons, elétrons e fônons. Em estruturas fotônicas, esse aprimoramento possibilita uma série de novas funcionalidades, como mudar a cor da luz em efeitos não lineares, gerar sinais de radiofrequência, suprimir o espalhamento estimulado de luz e manipular os modos mesoscópicos de fônons”, disse Alegre. 

Na física da matéria condensada, a física mesoscópica descreve fenômenos que ocorrem em uma escala intermediária entre o macroscópico e o microscópico. Segundo Alegre, em qualquer uma dessas funcionalidades exige-se um grande controle sobre o desenho e a fabricação da microestrutura que molda os espectros ópticos e acústicos dos fônons, assim como sua interação. 

“Temos obtido resultados muito importantes em pesquisa, como no desenho e fabricação de guias de ondas [estruturas que guiam ondas, tais como ondas eletromagnéticas ou ondas sonoras] nanométricas e cavidades optomecânicas que possam ampliar ou suprimir essas interações”, disse. 

A fotônica tem aplicações nas mais diversas áreas, como energia, manufatura, robótica, displays (telas de smarthphones, por exemplo), saúde e comunicações. Os primeiros dispositivos desenvolvidos com base em princípios da fotônica foram diodos semicondutores emissores de luz, na década de 1960, e a fibra óptica com baixíssima atenuação, na década seguinte.

Com apoio da FAPESP, Alegre e colegas desenvolveram um novo tipo de dispositivo optomecânico que usa um disco de silício microscópico para confinar ondas ópticas e mecânicas. 

O novo dispositivo é compatível com os processos de fabricação comercial e pode ser uma solução para melhorar sensores que detectam força e movimento. O dispositivo foi descrito em artigo publicado na revista Optics Express.

“A forma como desenhamos o dispositivo permite aumentar os níveis de interação entre as ondas de luz e mecânicas que perpassam por ele. Dessa forma, o dispositivo poderá ter tanto aplicações práticas, como subsidiar nossa pesquisa básica, ajudando a responder algumas perguntas como o que acontece na transição entre o mundo microscópio quântico e o mundo macroscópico clássico”, disse Alegre à Agência FAPESP. 

O dispositivo criado pelos pesquisadores, baseado em um disco de silício com 24 mícrons de diâmetro e apoiado em um pedestal central de dióxido de silício para que o disco vibre, tem formato semelhante a um alvo de dardos, com ranhuras circulares concêntricas nanométricas. Esse formato permite confinar as ondas de luz e mecânicas no dispositivo usando mecanismos separados (leia mais em: http://agencia.fapesp.br/24687/).

Os pesquisadores do IFGW-Unicamp também 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 com apoio da FAPESP, o dispositivo foi descrito em artigo na revista Scientific Reports.

Os pesquisadores propuseram, por meio de simulações computacionais, um dispositivo para explorar o espalhamento Brillouin e que poderia ser transposto para microchips fotônicos (leia mais em: http://agencia.fapesp.br/25000/).

Metamateriais

Andrea Alu, diretor do Advanced Science Research Center (ASRC) do CUNY Graduate Center, falou na FAPESP Week New York sobre pesquisas feitas por seu grupo para o controle de luz em metamateriais. Trata-se de materiais artificiais modificados de tal modo que adquirem propriedades desejadas que não existem de forma natural.

“Temos um programa completo e ambicioso de pesquisa básica direcionado para introduzir e desenvolver novas ideias e conceitos revolucionários que permitam modelar, desenhar, analisar, fabricar e caracterizar metamateriais para a próxima geração de sistemas eletromagnéticos e fotônicos integrados”, disse. 

Os pesquisadores do ASRC empregam novas ferramentas teóricas (incluindo métodos analíticos e numéricos), técnicas de fabricação de objetos em escala nanométrica, materiais bidimensionais, avanços na Física fundamental da interação de luz e matéria em metamateriais e optomecânica. 

“O estudo da luz na nanoescala se tornou um campo vibrante da pesquisa, à medida que cientistas agora dominam o fluxo da luz em escalas de comprimento muito abaixo do comprimento de onda óptica, ultrapassando os limites clássicos impostos pela difração”, disse Alu. 

Saiba mais sobre a FAPESP Week New York em: www.fapesp.br/week2018/newyork.