Cientistas da Universidade de Varsóvia aprisionam luz infravermelha em MoSe2 com apenas 42 nanómetros

Aprisionar luz infravermelha numa rede atómica de 42 nanómetros

Cientistas conseguiram confinar feixes de luz infravermelha num retículo de átomos especialmente concebidos com apenas 42 nanómetros de espessura. Isto corresponde a cerca de 2 000 vezes menos do que a espessura de um cabelo humano, e é ainda mais fino do que uma película muito delgada retirada de uma folha de papel comum.

O resultado, alcançado por uma equipa da Universidade de Varsóvia, na Polónia, pode ter implicações relevantes para a electrónica baseada em luz, numa altura em que os componentes tecnológicos continuam a encolher e a exigir maior exactidão.

O trabalho representa também um avanço importante na investigação da luz infravermelha, cujos comprimentos de onda são maiores do que os da luz visível. Confinar infravermelhos em espaços minúsculos é uma dificuldade que leva os limites da física a serem postos à prova.

"Os resultados apresentados são promissores para a concretização de dispositivos planos e ultra-compactos para emissão laser, controlo da frente de onda e estados topológicos de ordem superior da luz", escrevem os investigadores no artigo publicado.

Grelhas subcomprimento de onda em MoSe2 e a epitaxia por feixe molecular (MBE)

O ponto essencial desta experiência está no material escolhido para a grelha que mantém a luz presa. Trata-se de uma estrutura ultrafina de disselenieto de molibdénio (MoSe₂), formada por camadas atómicas de molibdénio e selénio.

Essa arquitectura química particular foi aproveitada para maximizar o índice de refracção da grelha - ou seja, a sua capacidade de desviar e abrandar a luz, preparando-a para ficar confinada.

Apesar de o MoSe₂ ser há muito reconhecido por ter um índice de refracção elevado, fabricar este material de forma consistente nas escalas mais pequenas tinha-se revelado, até aqui, difícil.

Neste novo estudo, os autores recorreram a uma técnica de “impressão” atómica chamada epitaxia por feixe molecular (MBE) para produzir folhas de MoSe₂. Para além de crescerem essas folhas, gravaram nelas riscas microscópicas - com separações inferiores ao comprimento de onda da luz infravermelha (subcomprimento de onda) - preparadas para manter os fotões no lugar.

Estados ligados no contínuo (BIC), computação óptica e próximos passos para TMDs

Para que o esquema funcionasse, foi necessário ainda um truque adicional da física, conhecido como "estado ligado no contínuo" (BIC). Trata-se de um fenómeno em que, neste contexto, as ondas de luz ficam confinadas dentro de um material mesmo coexistindo com outras ondas que se propagam e irradiam para fora.

A criação de um BIC exige materiais desenhados e configurados com grande precisão - algo que a equipa procurou assegurar através de modelação cuidada da grelha de MoSe₂ antes de a fabricar.

"Explorámos o índice de refracção excepcionalmente elevado do MoSe₂ para conceber e produzir, de forma inovadora, grelhas subcomprimento de onda baseadas em MoSe₂ que alojam BICs", escrevem os investigadores.

Esta física complexa pode ter aplicações práticas. Os cientistas continuam a investigar a computação óptica - em que os fotões substituem os electrões e a electricidade -, com potencial para aumentar de forma significativa as velocidades de processamento e, ao mesmo tempo, reduzir o tamanho dos componentes.

Embora ainda existam muitos obstáculos até a computação óptica se tornar viável, demonstrações como a aqui descrita indicam que pode ser possível prender e manipular a luz com o nível de precisão necessário, e nas escalas mais diminutas.

No caso específico deste material e desta armadilha de luz, ainda é preciso avançar antes de uma implementação fiável em larga escala. O processo de crescimento das folhas desenvolvido pela equipa não foi perfeito, pelo que o material foi polido com lenços de seda para remover inconsistências.

Ainda assim, os autores consideram que a abordagem tem margem para ser desenvolvida e até adaptada a outras frentes.

O MoSe₂ integra uma família mais ampla de materiais ultrafinos chamada diclalcogenetos de metais de transição (TMDs), e a expectativa é encontrar novas formas de produzir e manipular TMDs com maior fiabilidade.

Isso abriria caminho a dispositivos ainda mais pequenos e rápidos do que os actuais, construídos em parte graças ao confinamento de luz em espaços incrivelmente reduzidos.

"A facilidade e simplicidade de processamento do MoSe₂ confirmam que outros desenhos de estruturas fotónicas, como metasuperfícies 2D baseadas em camadas de TMD, são viáveis", escrevem os investigadores.

A investigação foi publicada na ACS Nano.