Pesquisadores do Centro de Pesquisa de Novas Tecnologias XPANCEO, trabalhando com o ganhador do Nobel Professor Konstantin Novoselov (Universidade de Manchester e Universidade Nacional de Cingapura), descobriram o comportamento óptico incomum do trissulfeto de arsênico (como2S3), um semicondutor cristalino de van der Waals. Seus resultados mostram que este material pode ser permanentemente alterado pela luz e até mesmo moldado em nanoescala usando luz contínua simples (CW). Essa abordagem evita a necessidade de fabricação cara em salas limpas ou sistemas avançados de laser de femtossegundos.
Um conceito-chave nesta descoberta é o índice de refração, que descreve o quanto um material curva ou retarda a luz. Materiais com índice de refração mais alto são melhores para conter e direcionar a luz dentro dos dispositivos. Em alguns materiais, a luz também pode alterar esta propriedade. Este efeito, conhecido como fotorrefratividade, ocorre quando a exposição à luz altera o índice de refração.
Na bunda cristalina2S3esta reação ocorre mesmo com luz ultravioleta de baixa intensidade. O estudo relata uma mudança excepcionalmente grande no índice de refração (até Δn ≈ 0,3) que excede os valores normalmente observados em materiais fotorrefrativos bem conhecidos, como BaTiO3 ou LiNbO3.
Por que a alta fotorrefratividade é importante para a tecnologia
Materiais que respondem fortemente à luz desta forma são muito úteis porque permitem que funções ópticas sejam escritas diretamente no material. Em vez de depender de múltiplas etapas mecânicas ou de fabricação, a própria luz pode determinar como o dispositivo processa e direciona a luz.
Esse recurso é importante para muitas tecnologias cotidianas. Ele suporta a criação de estruturas minúsculas que guiam sinais em sistemas de telecomunicações, fornece componentes ópticos compactos usados em sensores e dispositivos de imagem e permite a formação de elementos semelhantes a hologramas usados para autenticação e segurança de produtos.
Padrões ópticos em nanoescala e “impressões digitais ópticas”
Em como2S3o efeito é particularmente forte em escalas muito pequenas. A grande mudança no índice de refração permite a formação de padrões extremamente pequenos que permanecem incorporados no material transparente. Esses padrões atuam como identificadores ópticos exclusivos que são difíceis de replicar, tornando-os úteis em aplicações antifalsificação e rastreamento.
Para demonstrar essa precisão, os pesquisadores usaram um laser padrão para criar um retrato microscópico monocromático de Albert Einstein em um pedaço fino de material com pontos espaçados de apenas 700 nanômetros. Outras experiências mostraram que esta técnica poderia atingir uma resolução ainda maior (até ~50.000 pontos por polegada, correspondendo a 500 nanômetros entre os pontos). As amostras resultantes exibem forte contraste óptico devido a alterações induzidas pela luz no índice de refração, permitindo que sejam facilmente detectadas por técnicas ópticas.
Materiais direcionadores de luz e o futuro da fotônica
“A descoberta de novos materiais funcionais, especialmente na família única de cristais de van der Waals, é um motor fundamental para o avanço de todo o campo da fotônica. O desenvolvimento de dispositivos ópticos complexos, como lentes de contato inteligentes avançadas, é uma tarefa muito desafiadora que requer uma base sólida na ciência fundamental dos materiais. Nesses sistemas, o material em si é o componente principal que determina o que é fisicamente possível. Ao identificar cristais naturais com esse nível de sensibilidade, estamos efetivamente fornecendo os blocos de construção necessários para uma nova geração de tecnologias que são inteiramente impulsionadas pela luz, não eletricidade”, disse Valyantsin Volkau, fundador e diretor de tecnologia do Centro de Pesquisa de Novas Tecnologias XPANCEO.
Cristais em expansão permitem o uso de novos dispositivos ópticos
Além dos modelos, como2S3 também muda fisicamente quando exposto à luz. O material pode expandir até 5%, permitindo aos pesquisadores formar diretamente estruturas ópticas, como microlentes e redes de difração, em sua superfície. Esses recursos são importantes para a criação de guias de onda de amplo campo de visão usados em óculos de realidade aumentada e lentes de contato inteligentes.
A capacidade de resposta do material também o torna promissor para uso em circuitos fotônicos e sensores em nanoescala. Juntas, essas propriedades representam um avanço significativo no controle e manipulação da luz para tecnologias de próxima geração.
