Agência FAPESP
05/12/2018

Design de componente desenvolvido por pesquisadores da Unicamp permitiu aumentar o acoplamento entre ondas de luz e mecânicas. [1]
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.

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.

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. [2]

[1] Crédito da imagem: Divulgação.

[2] Esta notícia científica foi escrita por Heitor Shimizu.

Como citar esta notícia científica: Agência FAPESP. Interação de luz e som em estruturas fotônicas. Texto de Heitor Shimizu. Saense. http://www.saense.com.br/2018/12/interacao-de-luz-e-som-em-estruturas-fotonicas/. Publicado em 05 de dezembro (2018).

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