Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard criaram um dispositivo compacto que controla ativamente a “lateralidade” da luz à medida que ela passa por ela, também conhecida como quiralidade óptica. Isto é conseguido girando levemente duas camadas de cristal fotônico especialmente projetadas.
O projeto é liderado por Fan Du, aluno de pós-graduação no laboratório de Eric Mazur, professor de Física e Física Aplicada dos Balcãs. A equipe projetou um cristal fotônico reconfigurável de camada dupla torcida que pode ser ajustado em tempo real usando sistemas microeletromecânicos integrados (MEMS). Este avanço poderia permitir novas capacidades em detecção quiral, comunicações ópticas e fotônica quântica.
“A quiralidade é muito importante em muitos campos científicos – da farmacêutica à química, biologia e, claro, física e fotônica”, disse Mazur. “Ao integrar cristais fotônicos torcidos com MEMS, temos uma plataforma que não é apenas muito poderosa do ponto de vista físico, mas também compatível com a forma como a fotônica moderna é fabricada.”
Cristais fotônicos torcidos e manipulação de luz
Cristais fotônicos são materiais em nanoescala projetados para controlar o comportamento da luz. Essas estruturas, pequenas o suficiente para caber na ponta de uma agulha, já são utilizadas em tecnologias de computação, detecção e transmissão de dados em alta velocidade.
A equipe de Mazur expandiu o campo aplicando ideias da eletrônica torcional, um conceito que ganhou força por meio de pesquisas sobre grafeno de bicamada torcida. Ao empilhar duas camadas padronizadas de nitreto de silício e girá-las uma em relação à outra, os pesquisadores podem criar novas propriedades ópticas não presentes em uma única camada.
Sua pesquisa foi publicada em ÓpticoA equipe demonstrou que essa estrutura de bicamada torcida introduz naturalmente assimetria esquerda-direita, permitindo controlar a fotoquiralidade de maneira muito eficiente. Quiralidade refere-se a objetos que não podem ser sobrepostos a uma imagem espelhada, como as mãos esquerda e direita. Na óptica, este conceito aplica-se tanto aos materiais como à própria luz, que pode viajar em padrões espirais.
A luz pode ser girada no sentido horário, conhecida como polarização circular direita, ou no sentido anti-horário, conhecida como polarização circular esquerda. Embora essas diferenças sejam sutis, elas desempenham um papel fundamental em muitas aplicações científicas.
Por que a quiralidade é importante na ciência
Pequenas diferenças na quiralidade podem ter consequências significativas. Na química e na medicina, moléculas que são imagens espelhadas umas das outras podem se comportar de maneira muito diferente no corpo. Um exemplo famoso é a talidomida, um medicamento da década de 1950. Uma versão desta molécula ajuda a tratar os enjôos matinais em mulheres grávidas, enquanto sua imagem espelhada pode causar defeitos congênitos graves.
Os cientistas costumam usar luz quiral para estudar essas moléculas. Ferramentas tradicionais, incluindo placas de onda e polarizadores lineares, podem detectar polarização, mas sua funcionalidade é fixa e seu alcance é limitado.
Dispositivos fotônicos ajustáveis com controle MEMS
O novo dispositivo de Harvard supera essas limitações ao ser totalmente ajustável. Em vez de depender de componentes estáticos, ele pode ajustar continuamente sua resposta a diferentes tipos de luz quiral sem precisar substituir nenhuma peça.
Essa flexibilidade vem de seu design de duas camadas. Quando as duas camadas de cristal fotônico são unidas e giradas, a estrutura torna-se geometricamente quiral e é capaz de detectar a lateralidade da luz que entra. A forte interação entre as camadas resulta em um comportamento de transmissão completamente diferente da luz polarizada circularmente à esquerda na “incidência normal” e da luz polarizada circularmente à direita, ou luz polarizada perpendicularmente à superfície.
Ao usar um sistema MEMS para controlar com precisão o ângulo de torção e o espaçamento das camadas, os pesquisadores demonstraram que o dispositivo pode ser ajustado para uma seletividade quase perfeita na distinção da lateralidade da luz.
Aplicações futuras em detecção e comunicações
O estudo também descreve uma estratégia de design mais ampla para a criação de cristais fotônicos de bicamada torcida com quiralidade óptica controlável. Embora o dispositivo atual seja apenas uma prova de conceito, ele aponta para aplicações práticas.
Sistemas futuros poderiam ser usados para detecção quiral, onde o dispositivo é ajustado para detectar moléculas específicas em diferentes comprimentos de onda. Eles também podem ser usados como moduladores dinâmicos de luz em sistemas de comunicação óptica, permitindo o controle preciso da luz diretamente no wafer.
O artigo “Controle dinâmico da quiralidade óptica intrínseca via cristais fotônicos integrados a MEMS” foi coautor de Tang Haoning, Liu Yifan, Zhang Mingjie, Beicheng, Gao Guangqi, Li Xuyang, Alsyl Enriquez e Fan Shanhui.
