Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, trabalhando com equipes da Universidade de Tecnologia de Lodz, da Universidade de Tecnologia de Varsóvia e da Academia Polonesa de Ciências, criaram uma estrutura capaz de capturar 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 especializado chamado disseleneto de molibdênio (MoSe2). As descobertas foram publicadas em uma revista ACS Nano.
Manipular a luz em uma escala muito pequena é fundamental para o desenvolvimento da tecnologia moderna. À medida que a electrónica tradicional começa a atingir o seu potencial, a fotónica oferece uma alternativa, utilizando luz em vez de electrões para transmitir informação. Como os fótons viajam mais rápido e não têm a massa dos elétrons, os dispositivos baseados em luz podem se tornar mais rápidos e menores, abrindo a porta para tecnologias mais poderosas e compactas.
Chame o comprimento 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 a estrutura pode ser, ao mesmo tempo que a controla de forma eficaz. A luz visível tem comprimento de onda de várias centenas de nanômetros, enquanto a luz infravermelha se estende por um micrômetro ou mais. Surge uma questão importante: a luz pode ser confinada em estruturas menores que o seu comprimento de onda?
A equipe de pesquisa demonstrou que isso é realmente possível. Ao criar uma grade de comprimento de onda, eles foram capazes de capturar 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 estão mais próximas umas das outras do que o comprimento de onda da luz, a grade pode atuar como um espelho quase perfeito, embora ainda contenha 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 espessuras de várias centenas de nanômetros para funcionar de maneira eficaz. A redução no seu tamanho fez com que perdessem a capacidade de limitar a luz. A principal diferença nesta nova abordagem é o uso de disseleneto de molibdênio, que possui um índice de refração muito maior. Simplificando, a luz dentro deste material diminui mais do que outros. 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 forte efeito de retardamento permite que a estrutura encolha drasticamente enquanto retém eficazmente a luz, resultando numa camada mil vezes mais fina que um fio de cabelo humano.
A conversão da luz infravermelha em azul
MoSe2 também traz benefícios adicionais. Tal 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 são combinados 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 muito mais eficiente. Os pesquisadores descobriram que o efeito é 1.500 vezes mais forte em comparação com uma camada plana do mesmo material.
Outro avanço importante está na forma como o material foi produzido. Camadas anteriormente finas de MoSe2 foram criados usando esfoliação, uma técnica semelhante à remoção de camadas de cristal com fita adesiva. Embora simples, este método é inconsistente e limitado a áreas muito pequenas, normalmente em torno de dez micrômetros quadrados, o que não é adequado para dispositivos reais.
Para superar isso, 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 filmes com alguns centímetros quadrados de tamanho. Apesar deste grande tamanho, a camada foi mantida com uma espessura de apenas 40 nanômetros, conferindo-lhe uma relação de aspecto extraordinária. Em comparação, a relação espessura/tamanho desta camada é de cerca de um em um milhão, enquanto uma folha de papel A4 típica tem uma relação 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 já não precisam de ser espessas para guiar a luz de forma eficaz. Em vez disso, camadas extremamente finas podem desempenhar a mesma função e, em alguns casos, até melhor. À medida que o método de fabricação aumenta, o caminho para aplicações do mundo real, como circuitos integrados fotônicos, torna-se cada vez mais realista.
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, pela União Europeia ao abrigo da bolsa ERC-ADVANCED No. 101053716, pela Polish Science Foundation no âmbito do projeto ENG.02.01-IP.05-T004/23 e pela Universidade de Varsóvia como parte da Iniciativa de Excelência – Universidade de Pesquisa (IDUB) Novas Idéias em Áreas de Pesquisa Prioritárias II No. 501-D111-20-2004310 intitulada “Redes de comprimento de onda ultrafinas baseadas em dichalcogenetos”.
