A criação de tecnologias vestíveis quase invisíveis, como lentes de contato inteligentes e óculos ultrafinos de realidade aumentada (AR), requer uma reformulação radical dos componentes ópticos convencionais. Em vez de depender de lentes e hardware volumosos, os pesquisadores estão explorando materiais que podem manipular a luz em escala atômica.
Uma equipa da XPANCEO, que trabalha com cientistas da Universidade Nacional de Singapura e da Universidade de Química e Tecnologia de Praga, relatou um grande avanço nesse esforço. Sua pesquisa se concentrou em um cristal em camadas chamado oxicloreto de molibdênio (MoOCl).2), que exibe uma coleção de propriedades ópticas incomuns que podem ajudar a reduzir drasticamente os futuros dispositivos ópticos.
Publicado em Letra NanoO estudo representa o primeiro mapeamento experimental do comportamento óptico do cristal. Os resultados mostram que o MoOCl2 Os materiais naturais exibem o efeito de curvatura de luz mais forte já medido, abrindo potencialmente um caminho para tecnologias ópticas muito menores e mais capazes.
Um cristal que age como metal e vidro
Pesquisadores descrevem MoOCl2 Como uma espécie de “camaleão” óptico. Seu comportamento varia dependendo de como o cristal está orientado.
Quando colocado de lado, reflete a luz como o metal. Gire 90 graus e ficará cristalino. Esta propriedade incomum decorre de sua extrema anisotropia óptica, o que significa que suas propriedades mudam drasticamente dependendo da direção.
O cristal também possui um valor de birrefringência no plano de cerca de 2,2, o que permite dividir e dobrar a luz com eficiência excepcional. Para o XPANCEO, isso poderia tornar possível controlar a iluminação sofisticada necessária para monitores AR usando materiais mil vezes mais finos que um fio de cabelo humano.
Um raro efeito de desaceleração da luz encontrado na luz visível
Os pesquisadores também identificaram um raro ponto épsilon próximo de zero em 512 nm (luz verde).
Neste ponto, a parte da resposta óptica do material cai para quase zero. Como resultado, a luz é efetivamente desacelerada enquanto o campo elétrico dentro do cristal é forte. Esta combinação pode melhorar significativamente a interação entre luz e matéria.
Para chips fotônicos integrados, este efeito pode ser particularmente valioso. Fortes interações luz-matéria podem permitir um processamento de dados mais rápido e ao mesmo tempo usar muito menos energia.
Por que os cientistas estão interessados no MoOCl?2
Físicos estudando MoOCl2 Há vários anos devido à sua estrutura eletrônica incomum.
O elemento é classificado como “metal ruim” e consiste em uma cadeia unidimensional de átomos de molibdênio. Essas cadeias permitem que os elétrons se movam mais facilmente em uma direção do que na outra. Como resultado, o cristal se comporta como um metal ao longo de um eixo e como um dielétrico ao longo do eixo perpendicular, produzindo sua anisotropia excepcionalmente forte.
publicado em estudos anteriores ciência E Comunicação da natureza Já foi observado que ondas de luz que viajam através de cristais chamados polaritons plasmônicos hiperbólicos estão fortemente confinados. Esses experimentos mostraram que o MoOCl2 Pode guiar a luz de maneiras altamente direcionais e imprevisíveis.
No entanto, ainda faltava uma peça importante do quebra-cabeça. Os cientistas podem observar efeitos ópticos, mas não mediram diretamente a constante óptica completa do material. Sem essas medições, projetar dispositivos práticos baseados em cristais seria mais difícil.
Mapeando propriedades ópticas de cristais
O novo trabalho fornece essa medida que faltava.
Os pesquisadores descobriram que cerca de 512 nanômetros na região verde do espectro visível, um componente da resposta óptica do cristal se aproxima de zero. Em termos práticos, pode intensificar o campo elétrico dentro do material e desacelerar a luz, comprimir a energia eletromagnética em um volume muito pequeno e aumentar a interação luz-matéria.
Este fenômeno é conhecido como ponto épsilon próximo de zero (ENZ) de luz visível. Embora muitos materiais exibam comportamento ENZ apenas na região do ultravioleta profundo ou do infravermelho médio, o MoOCl2 Este estado é alcançado dentro do espectro visível. Isto é particularmente importante porque muitas tecnologias existentes já operam nesta faixa, incluindo lasers, microscópios, câmeras e sistemas de detecção.
“Observar um fenômeno é o primeiro passo, mas a engenharia requer números precisos”, disse o Dr. Valentin Volkov, fundador e CTO da XPANCEO e autor correspondente do estudo. “O tensor dielétrico absoluto do MoOCl é medido rigorosamente2Nosso trabalho fornece a base experimental para entender por que esse material se comporta dessa maneira e para projetar em torno dele com mais confiança. Isto torna-o um resultado científico valioso para o campo, com relevância potencial em óptica de polarização compacta, dispositivos não lineares e, a longo prazo, sistemas integrados altamente miniaturizados, incluindo lentes de contacto inteligentes.”
Hardware óptico compacto do futuro
O mapa óptico detalhado também destaca o potencial do material para maior miniaturização da tecnologia óptica.
Devido à sua forte anisotropia estrutural, MoOCl2 Atua como um meio hiperbólico natural. Simplificando, permite que a luz viaje através dos cristais em caminhos altamente direcionais em nanoescala, sem difração (ou dispersão), um requisito fundamental para a construção de pequenos circuitos ópticos.
A sua capacidade de operar no espectro visível reforça ainda mais o seu apelo por chips fotónicos integrados, onde a luz deve ser encaminhada, filtrada e condensada em áreas muito pequenas.
Os pesquisadores apontam para várias aplicações potenciais. Estes incluem polarizadores de banda larga ultrafinos que controlam a direção da luz em sistemas ópticos compactos, bem como guias de onda subdifracionais capazes de guiar a luz através de espaços menores do que os permitidos pela óptica convencional.
As descobertas também sugerem oportunidades em nanofotônica não linear, onde intensas interações luz-matéria podem ser usadas para criar novas cores de luz ou processar sinais ópticos de forma mais eficiente.
