Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, trabalhando com equipes da Universidade de Tecnologia de Łódź, da Universidade de Tecnologia de Varsóvia e da Academia Polonesa de Ciências, desenvolveram uma estrutura capaz de bloquear a luz infravermelha em uma camada de apenas 40 nanômetros de espessura. Sua abordagem se baseia em um projeto conhecido como grade de comprimento de onda feita de um material especial chamado disseleneto de molibdênio (MoSe).2) os resultados são relatados na revista ACS Nano.
Manipular a luz em uma escala extremamente pequena é a chave 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 a mesma massa dos elétrons, os dispositivos baseados na luz podem ser mais rápidos e menores, abrindo a porta para tecnologias mais poderosas e compactas.
O desafio dos comprimentos de onda da luz
A luz se comporta tanto como partícula quanto como onda, e essa natureza ondulatória introduz uma limitação. Cada tipo de luz tem um comprimento de onda, que determina quão pequena uma estrutura pode ser quando controlada de forma eficaz. A luz visível tem comprimento de onda de várias centenas de nanômetros, enquanto a luz infravermelha se estende até um micrômetro ou mais. Isto levanta uma questão importante: a luz pode ser confinada a estruturas menores que o seu próprio comprimento de onda?
As equipes de pesquisa mostraram que isso é realmente possível. Ao projetar uma rede de comprimento de onda inferior, eles conseguiram capturar a luz infravermelha em uma camada de apenas 40 nanômetros de espessura. Esta estrutura consiste em tiras paralelas bem espaçadas que interagem com a luz como um prisma. Quando essas tiras são posicionadas mais próximas do que o comprimento de onda da luz, a grade pode funcionar como um espelho perfeito, prendendo a luz em um volume muito pequeno.
Por que o disseleneto de molibdênio funciona tão bem?
Versões anteriores dessas grades, feitas de materiais como compostos de silício ou gálio, exigiam uma espessura de várias centenas de nanômetros para funcionar de maneira eficaz. Ao reduzir o seu tamanho, perdem a capacidade de limitar a luz. A principal diferença desse novo método é o uso do disseleneto de molibdênio, que possui índice de refração muito maior. Em termos simples, a luz dentro deste material diminui mais a velocidade do que outros. Embora a luz desacelere 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 MoSe.2. Este poderoso efeito de desaceleração permite que a estrutura encolha drasticamente, ao mesmo tempo que retém a luz de forma eficiente, resultando numa camada mil vezes mais fina que um fio de cabelo humano.
Convertendo luz infravermelha em luz azul
Moisés2 Também vem com benefícios adicionais. Como o grafeno, forma estruturas em camadas, mas ao contrário do grafeno, é um semicondutor. Ele também exibe comportamento óptico não linear, incluindo um processo conhecido como geração de terceiro harmônico. Neste processo, três fótons infravermelhos se combinam em um fóton com frequência mais alta, convertendo efetivamente a luz infravermelha em luz azul visível. Como a grade concentra fortemente a luz infravermelha, esta conversão torna-se muito mais eficiente. Os pesquisadores descobriram que o efeito foi 1.500 vezes mais forte do que uma camada plana do mesmo material.
Outro grande avanço foi a forma como o material é produzido. No primeiro, uma fina camada de MoSe2 foi feito por meio de esfoliação – um método semelhante ao descascamento de camadas de cristais com fita adesiva. Embora simples, esta técnica é inconsistente e limitada a áreas muito pequenas, normalmente cerca de dezenas de micrômetros quadrados, o que não é adequado para dispositivos do mundo real.
Para superar isso, a equipe usou epitaxia por feixe molecular (MBE), um método bem estabelecido para o crescimento de camadas semicondutoras. Este método permitiu-lhes produzir MoSe grandes e uniformes2 Alguns centímetros quadrados de filme. Apesar deste grande tamanho, a camada permaneceu com apenas 40 nanômetros de espessura, proporcionando uma proporção de aspecto extrema. Para efeito de comparação, esta camada tem uma proporção entre espessura e tamanho de cerca de um para um milhão, enquanto uma folha de papel A4 típica tem uma proporção de cerca 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 conduzir a luz de forma eficaz. Em vez disso, camadas extremamente finas podem desempenhar a mesma função e, em alguns casos, melhor. Como os métodos de fabricação são escalonáveis, os caminhos para aplicações do mundo real, como circuitos integrados fotônicos, estão se tornando cada vez mais realistas.
Financiamento e apoio
A investigação foi financiada pelo Centro Nacional de Ciência no âmbito dos projetos OPUS 2020/39/B/ST7/03502 e 2021/41/B/ST3/04183, fundos da União Europeia ao abrigo da subvenção ERC-ADVANCED n.º 101053716, Fundação Polaca para a Ciência no âmbito do projeto ENG-10204/0204. New Ideas II No. 501-D111-20-2004310 intitulado “Redes ultrafinas de comprimento de onda baseadas em dichalcogenetos” na área de pesquisa prioritária da Universidade de Varsóvia – Universidade de Pesquisa (IDUB) no âmbito da Iniciativa de Excelência.
