Cientistas conseguiram aprisionar feixes de luz infravermelha numa rede de átomos especialmente concebida com apenas 42 nanómetros de espessura. Isto corresponde a cerca de 2,000x menos do que a espessura de um cabelo humano - e ainda mais fino do que uma película muito delgada de uma folha de papel comum.
O feito, liderado por uma equipa da Universidade de Varsóvia, na Polónia, pode ter impacto relevante na electrónica baseada em luz, numa altura em que os componentes tecnológicos continuam a encolher e a exigir um controlo cada vez mais preciso.
Porque é difícil confinar luz infravermelha
O avanço também é importante para o estudo da luz infravermelha, que tem comprimentos de onda mais longos do que a luz visível. Conseguir reter infravermelhos em volumes minúsculos é um desafio que força os limites do que a física permite.
"Os resultados apresentados são promissores para a concretização de dispositivos planos e ultracompactos para emissão laser, controlo da frente de onda e estados topológicos de ordem superior da luz", escrevem os investigadores no artigo publicado.
A grelha ultrafina de dissileneto de molibdénio (MoSe2)
O elemento decisivo da experiência foi o material escolhido para a grelha que mantém a luz confinada. Trata-se de uma estrutura ultrafina de dissileneto de molibdénio (MoSe2), formada por camadas atómicas de molibdénio e selénio.
Esta arquitectura química particular eleva ao máximo o índice de refracção da grelha - a capacidade de desviar e abrandar a luz, condição essencial para a prender no material.
Apesar de já se saber há muito que o MoSe2 apresenta um índice de refracção elevado, a sua produção de forma fiável às escalas mais pequenas tinha-se revelado difícil até agora.
Como as folhas foram fabricadas e microestruturadas
Neste trabalho, a equipa recorreu a um método de "impressão" atómica conhecido como epitaxia por feixe molecular (MBE) para produzir folhas de MoSe2. Para além de crescerem as folhas, os investigadores também esculpiram nelas faixas microscópicas - com espaçamentos inferiores ao comprimento de onda da luz infravermelha (subcomprimento de onda) - preparadas para manter fotões confinados.
O truque físico: estados ligados no contínuo (BIC)
Para que a armadilha funcionasse, foi necessário ainda um mecanismo físico adicional, designado "estado ligado no contínuo" (BIC). Trata-se de um fenómeno em que, neste caso, as ondas de luz ficam confinadas dentro de um material apesar de coexistirem com outras ondas que se propagam e irradiam para o exterior.
A criação de um BIC exige que os materiais sejam desenhados e configurados com elevada precisão, algo que os investigadores garantiram ao modelarem cuidadosamente a grelha de MoSe2 antes de a construírem.
"Explorámos o índice de refracção excepcionalmente elevado do MoSe2 para desenhar e produzir, de forma inovadora, grelhas subcomprimento de onda baseadas em MoSe2 que alojam BICs", escrevem os investigadores.
O que isto pode permitir na prática
Esta física complexa pode vir a ter aplicações concretas. Os cientistas continuam a investigar a computação óptica - uma abordagem em que fotões de luz substituem electrões e electricidade - com potencial para aumentar significativamente a velocidade de processamento, ao mesmo tempo que reduz o tamanho dos componentes.
Embora ainda existam muitos obstáculos antes de a computação óptica se tornar viável, demonstrações como a descrita neste estudo indicam que pode ser possível confinar e manipular a luz com o grau de precisão necessário, mesmo a escalas extremamente pequenas.
Limitações actuais e próximos passos
No caso específico deste material e desta armadilha de luz, ainda será preciso mais trabalho antes de a abordagem poder ser aplicada de forma fiável em escala. O processo de crescimento das folhas desenvolvido pela equipa não foi perfeito, pelo que o material foi polido com lenços de seda para eliminar irregularidades.
Ainda assim, os investigadores mostram-se confiantes de que o método pode ser desenvolvido e até alargado a outras áreas.
O MoSe2 integra uma família mais ampla de materiais superfinos conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), e a expectativa é encontrar novas formas de produzir e manipular TMDs de modo mais consistente.
Isso abriria caminho a dispositivos ainda mais pequenos e mais rápidos do que os actuais, construídos em parte a partir da capacidade de aprisionar luz em espaços incrivelmente reduzidos.
"A facilidade e simplicidade de processamento do MoSe2 confirmam que são viáveis outros desenhos de estruturas fotónicas, como metassuperfícies 2D baseadas em camadas de TMD", escrevem os investigadores.
A investigação foi publicada na ACS Nano.
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