Harvard John A. Pesquisadores da Escola Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) desenvolveram um dispositivo compacto que pode controlar ativamente quando a luz passa por um “braço”, também conhecido como quiralidade óptica. Isto é conseguido girando levemente duas camadas de cristal fotônico especialmente projetadas.
O projeto foi liderado por Fan Du, um estudante de pós-graduação no laboratório de Eric Mazur, professor de Física e Física Aplicada dos Balcãs. A equipe projetou um cristal fotônico de bicamada torcida reconfigurável que pode ser ajustado em tempo real usando um sistema microeletromecânico integrado (MEMS). Este avanço poderia permitir novas capacidades em detecção quiral, comunicação óptica e fotônica quântica.
“A quiralidade é muito importante em muitas áreas da ciência – 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 robusta do ponto de vista físico, mas também compatível com métodos modernos de fabricação fotônica.”
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 um alfinete, já são utilizadas em tecnologias de computação, detecção e transmissão de dados em alta velocidade.
O grupo de Mazur expandiu esse campo aplicando ideias da twisttrônica, conceito que ganhou atenção 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 que não existem em uma única camada.
publicados em suas pesquisas ópticoA equipe mostrou que essa estrutura de bicamada torcida introduz naturalmente assimetria entre a esquerda e a direita, tornando-a altamente eficaz no controle da quiralidade da luz. Quiralidade refere-se a objetos que não podem ser sobrepostos às suas imagens espelhadas, como as mãos esquerda e direita. Na óptica, este conceito aplica-se tanto aos materiais como à luz, que pode viajar num padrão helicoidal.
A luz pode girar 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 importante em muitas aplicações científicas.
Por que a quiralidade é importante na ciência?
Pequenas diferenças na quiralidade podem ter grandes consequências. Na química e na medicina, moléculas que são imagens espelhadas umas das outras podem se comportar de maneira muito diferente no corpo. Um exemplo bem conhecido é a talidomida, um medicamento da década de 1950. Uma versão da molécula ajudou a tratar enjôos matinais em mulheres grávidas, enquanto sua imagem espelhada causava graves defeitos congênitos.
Os cientistas costumam usar luz quiral para estudar essas moléculas. Equipamentos tradicionais, incluindo placas de onda e polarizadores lineares, podem detectar polarização, mas têm potência fixa e alcance limitado.
Dispositivos fotônicos ajustáveis com controle MEMS
O novo dispositivo Harvard supera essas limitações ao ser totalmente ajustável. Em vez de depender de componentes estáticos, sua resposta a diferentes tipos de luz quiral pode ser ajustada continuamente sem substituir nenhuma peça.
Essa flexibilidade vem de seu design de bicamada. Quando duas camadas de cristal fotônico são aproximadas e giradas, a estrutura torna-se geometricamente quiral e é capaz de detectar a orientação da luz que entra. Fortes interações entre camadas levam a um comportamento de transmissão muito diferente para luz polarizada circularmente à esquerda e à direita sob “incidência normal”, ou luz polarizada que atinge a superfície perpendicularmente.
Ao usar o sistema MEMS para controlar com precisão o ângulo de torção e o espaçamento entre as camadas, os pesquisadores mostraram que o dispositivo pode ser ajustado com seletividade quase perfeita ao distinguir o braço leve.
Aplicações futuras em detecção e comunicação
O estudo descreve uma estratégia de projeto abrangente para a fabricação de cristais fotônicos de bicamada torcida com quiralidade óptica controlável. Embora o dispositivo atual sirva como prova de conceito, ele aponta para aplicações práticas.
Sistemas futuros poderiam ser usados em detecção quiral, onde dispositivos são ajustados para detectar moléculas específicas em diferentes comprimentos de onda. Eles também podem servir como moduladores dinâmicos de luz em sistemas de comunicação óptica, permitindo o controle preciso da luz diretamente em um chip.
O artigo, “Controle dinâmico da quiralidade óptica intrínseca por meio de um cristal fotônico integrado ao MEMS”, foi coautor de Haoning Tang, Yifan Liu, Mingjie Zhang, Beicheng Lu, Guangqi Gao, Zhuang Li, Alcile Enriquez e Shanhui Fan.
