Investigadores da Escola de Física da Universidade de Varsóvia, em colaboração com equipas da Universidade de Tecnologia de Łódź, da Universidade de Tecnologia de Varsóvia e da Academia Polaca de Ciências, criaram uma estrutura capaz de capturar luz infravermelha numa camada de apenas 40 nanómetros de espessura. Seu método se baseia em um projeto chamado grade de comprimento de onda, que é feito de um material chamado disseleneto de molibdênio (MoSe2). Resultados de pesquisa publicados em revista ACS Nano.
Manipular a luz em escalas extremamente pequenas é fundamental para o avanço da tecnologia moderna. À medida que a electrónica tradicional começa a atingir os seus limites, a fotónica oferece uma alternativa, utilizando luz em vez de electrões para transportar informação. Como os fótons se movem mais rápido e não têm massa como os elétrons, os dispositivos baseados em luz podem se tornar mais rápidos e menores, abrindo a porta para tecnologias mais poderosas e compactas.
Desafio do comprimento de onda da luz
A luz se comporta tanto como partícula quanto como onda, e essa natureza ondulatória impõe limitações. Cada tipo de luz tem um comprimento de onda que determina quão pequena a estrutura pode ser e ao mesmo tempo ser controlada de forma eficiente. A luz visível tem comprimentos de onda de centenas de nanômetros, enquanto a luz infravermelha tem comprimentos de onda de até mícrons ou mais. Isto levanta uma questão importante: a luz pode ser confinada em estruturas menores que o seu próprio comprimento de onda?
A equipe de pesquisa demonstrou que isso é realmente possível. Ao projetar redes de comprimento de onda inferior, eles conseguiram capturar a luz infravermelha em uma camada de apenas 40 nanômetros de espessura. A estrutura consiste em tiras paralelas bem espaçadas que interagem com a luz semelhante a um prisma. Quando essas tiras estão mais próximas do que o comprimento de onda da luz, a grade pode funcionar como um espelho quase perfeito, ao mesmo tempo que mantém a luz dentro de um volume muito pequeno.
Por que o disseleneto de molibdênio é tão eficaz?
As primeiras versões dessas grades eram feitas de materiais como compostos de silício ou gálio e exigiam espessuras de centenas de nanômetros para funcionar de maneira eficaz. A redução do seu tamanho faz com que percam a capacidade de confinar a luz. O principal diferencial desse novo método é a utilização do disseleneto de molibdênio, que possui maior índice de refração. Simplificando, a luz fica mais lenta neste material do que em outros materiais. Enquanto a luz desacelera cerca de 1,5 vezes no vidro e cerca de 3,5 vezes no silício ou arsenieto de gálio, ela desacelera cerca de 4,5 vezes no MoSe2. Este intenso efeito de desaceleração faz com que a estrutura encolha drasticamente enquanto ainda captura a luz de forma eficaz, resultando em camadas que são mais de mil vezes mais finas que um fio de cabelo humano.
Converta luz infravermelha em luz azul
Seleneto de molibdênio2 Também traz vantagens adicionais. Tal como o grafeno, forma uma estrutura em camadas, mas ao contrário do grafeno, é um semicondutor. Ele também exibe comportamento óptico não linear, incluindo um processo denominado geração de terceiro harmônico. Durante este processo, três fótons infravermelhos se combinam em um fóton de frequência mais alta, convertendo efetivamente a luz infravermelha em luz azul visível. Como a grade concentra fortemente a luz infravermelha, esta conversão torna-se mais eficiente. Os pesquisadores descobriram que o efeito foi 1.500 vezes mais forte em comparação com uma camada plana do mesmo material.
Outro grande avanço está na forma como os materiais são produzidos. Antes disso, finas camadas de MoSe2 Criado usando a técnica lift-off – um método semelhante ao uso de fita adesiva para descascar camadas de um cristal. Embora simples, a técnica é inconsistente e limitada a áreas muito pequenas, normalmente em torno de dez mícrons quadrados, tornando-a inadequada para dispositivos práticos.
Para superar esse problema, a equipe usou epitaxia por feixe molecular (MBE), um método bem estabelecido para o crescimento de camadas semicondutoras. Esta abordagem permitiu-lhes produzir MoSe grandes e uniformes2 Uma membrana que mede vários centímetros quadrados. Apesar do seu tamanho, a camada tem apenas 40 nanômetros de espessura, o que lhe confere uma proporção de aspecto extremamente alta. Para efeito de comparação, a relação espessura/tamanho desta camada é de cerca de uma parte em um milhão, enquanto a relação espessura/tamanho do papel A4 típico está mais próxima de 1:2.000.
Rumo a aplicações fotônicas práticas
Estes resultados sugerem que o disseleneto de molibdênio produzido desta forma poderia mudar significativamente a forma como a luz é controlada em tecnologias futuras. As estruturas não precisam mais ser espessas para manipular a luz com eficácia. Em contraste, camadas extremamente finas podem desempenhar a mesma função e, em alguns casos, até melhor. Como os métodos de produção são escaláveis, o caminho para aplicações práticas, como circuitos integrados fotônicos, está se tornando cada vez mais realista.
Financiamento e apoio
Esta pesquisa foi financiada pelos projetos National Science Center OPUS 2020/39/B/ST7/03502 e 2021/41/B/ST3/04183, EU ERC-ADVANCED grant número 101053716, Polish Science Foundation ENG.02.01-IP.01053716 Financiamento, Polish Science Foundation ENG.02.01-IP.05-T0045-T0045-T0025-T0025-T0025-T0025-T0025-T0025-T002. Novas ideias em Varsóvia no âmbito da Área Prioritária de Investigação II da Iniciativa de Excelência – Universidades de Investigação (IDUB), nº 501-D111-20-2004310, intitulada “Redes de comprimento de onda ultrafinas baseadas em dissulfuretos”.
