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Pesquisadores controlam interação entre a luz e as vibrações mecânicas

Estudo realizado por físicos da Unicamp abre a perspectiva de desenvolver chips que integram eletrônica e fotônica, além de sensores ópticos e outros dispositivos

Fonte: Agência Fapesp

As estruturas fotônicas em escala micro e nanométrica (bilionésima parte do metro) têm despertado o interesse da indústria de semicondutores, por exemplo, devido a sua capacidade de controlar a propagação da luz – em vez de elétrons – e sua interação com a matéria, o que abriria a perspectiva de integrar a fotônica e a eletrônica.

O desenvolvimento de dispositivos baseados nesses materiais – como chips ópticos, em que a luz seria controlada e guiada por nanoestruturas que consumiriam muito menos energia – depende, contudo, do avanço no conhecimento sobre a forma como a luz interage com a matéria nessas estruturas fotônicas e como é possível controlar essa interação, apontam especialistas na área.

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) acaba de dar uma importante contribuição nesse sentido. No projeto "Processos de espalhamento de luz em microestruturas fotônicas”, coordenado por Paulo Dainese e realizado com apoio da FAPESP no âmbito do Programa Apoio a Jovens Pesquisadores, eles desvendaram o mecanismo que controla a interação entre a luz e as vibrações mecânicas em uma nanoestrutura fotônica.

Publicado na revista Nature Communications, o estudo foi apresentado durante a "São Paulo School of Advanced Science on Nanophotonics”, que ocorre em Campinas até o próximo dia 29 de julho no IFGW da Unicamp.

Com apoio da FAPESP, a Escola reúne 50 estudantes estrangeiros e 50 brasileiros que participarão ao longo de duas semanas de aulas intensas e cursos teóricos e experimentais básicos e avançados sobre nanofotônica e óptica quântica e não linear, entre outros temas. Além disso, discutirão os resultados de suas pesquisas em uma sessão de pôsteres.

"A ideia é que, em um futuro breve, os chips tenham não só elétrons, como também fótons, que seriam guiados por nanofios de silício equivalentes às fibras ópticas”, disse Paulo Dainese, professor do IFGW da Unicamp e um dos autores do artigo, à Agência FAPESP.

"Mas, para fazer esses dispositivos, é preciso entendermos muito bem como ocorre a interação entre a luz e as vibrações mecânicas, por exemplo, em nanoestruturas fotônicas”, ponderou.

De acordo com o pesquisador, ao passar por um meio transparente a luz (fótons) interage com vibrações elásticas de altíssimas frequências, da ordem de milhões de ciclos por segundo.

Esse efeito, chamado de "Espalhamento Brillouin”, descrito inicialmente em 1922 pelo físico francês León Nicolas Brillouin (1889 – 1969), só pôde ser explorado eficientemente a partir dos anos 1960 com a invenção do laser pelo físico norte-americano Theodore Harold Maiman (1927 – 2007).

Em fibras ópticas, usadas largamente hoje para transmitir dados em alta velocidade, observou-se que, dependendo da potência com que a luz era irradiada por fontes de laser no interior desses fios de vidro ou de materiais poliméricos, o campo eletromagnético da luz criava ondas acústicas de altas frequências. Como resultado dessa interação, as próprias ondas acústicas refletiam a luz de volta para o seu ponto de partida.

Esse efeito foi amplamente estudado em fibras ópticas e resultou em um entendimento profundo e em aplicações não apenas em sistemas de comunicação, mas também como sensores de temperatura e de deformação de estruturas, como pontes e asas de aviões.

Os pesquisadores notaram que a luz que era espalhada pelas vibrações elásticas tinha uma frequência diferente da enviada e que os fatores determinantes dessa mudança eram as propriedades do material. Variações de temperatura e tensão alteram essa propriedade e, portanto, mudam a frequência da luz espalhada.

Com base nessa constatação, esse efeito começou a ser usado para o desenvolvimento de sensores de temperatura e de tensão distribuída, disse Dainese.

"Foram instaladas fibras ópticas ao longo de pontes, por exemplo, que, ao serem irradiadas com luz com alta potência e analisada a frequência com que essa luz se espalhava, permitiam identificar a existência de algum problema estrutural e o ponto exato em que estava”, explicou.

"Hoje, há um interesse industrial grande pela indústria da construção civil, de aviação e de gás e energia, por exemplo, para monitorar avarias em tubulações de petróleo”, afirmou.

Nanoestruturas fotônicas

Em estruturas fotônicas em escala nanométrica, como nanofios de silício, onde a luz está muito mais comprimida do que em fibras ópticas convencionais, observou-se que a onda mecânica gerada pela interação entre os fótons e fônons (partículas acústicas) cria vibrações tanto no interior como na superfície do material.

Essas vibrações mecânicas alteram a elasticidade do interior do material – que se expande e retrai sucessivamente – e de sua superfície, que se se move de acordo com as vibrações, alterando a forma geométrica da estrutura.

Os dois efeitos, chamados respectivamente de efeito fotoelástico e efeito de movimento da superfície, ocorrem concomitantemente e alteram a propagação da luz pela nanoestrutura fotônica, explicou Dainese.

"As vibrações na superfície do material causam um efeito na luz que compete diretamente com aqueles causados por vibrações no interior, isto é, no corpo do material”, disse.

"Nos últimos anos, com a evolução grande na fabricação dessas microestruturas fotônicas, prevaleciam algumas dúvidas na comunidade científica: se esses efeitos de superfície eram relevantes, se o efeito de corpo dominava, se os efeitos se reinforçam ou se contrapõem. E ainda existem problemas teóricos de como tratar essa interação”, afirmou.

A fim de avaliar o papel dos dois efeitos combinados na propagação da luz em uma estrutura nanométrica, Dainese e colegas do IFGW da Unicamp realizaram experimentos em que usaram nanofios de sílica com diâmetro muito menor do que o comprimento de onda da luz.

Os pesquisadores demonstraram que o efeito das vibrações de superfície na propagação da luz no nanomaterial não apenas é importante e comparável ao das vibrações no interior do material, mas também que, se forem controlados, ambos podem se anular mutuamente.

Dessa forma o novo efeito, que batizaram de "autocancelamento do Espalhamento Brillouin”, permite apagar a interação entre a luz e o som, detalhou Dainese.

"Mostramos que se a interação entre a luz e ondas elásticas for minuciosamente controlada é possível que, mesmo na presença de vibrações de altíssimas frequências, a luz viaje através do nanofio sem sofrer nenhuma perturbação”, afirmou.

"Isso abre a perspectiva de desenvolver, no futuro, chips que integram eletrônica e fotônica ou mesmo sensores ópticos com mais liberdade de engenharia”, avaliou Dainese.

O artigo "Brillouin scattering self-cancellation” (doi: 10.1038/ncomms11759), de Dainese e outros, pode ser lido na revista Nature Communications em www.nature.com/ncomms/2016/160610/ncomms11759/full/ncomms11759.html.


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