Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard criaram um dispositivo compacto que pode controlar ativamente a “lateralidade” da luz à medida que ela passa por ela, também conhecida como quiralidade óptica. Isto é conseguido girando levemente duas camadas especialmente projetadas de cristais fotônicos.
O projeto foi liderado pelo estudante de pós-graduação Fan Du no laboratório de Erik Mazur, professor de física e física aplicada dos Balcãs. A equipe desenvolveu um cristal fotônico de bicamada torcida sintonizável que pode ser ajustado em tempo real usando um sistema microeletromecânico integrado (MEMS). Este progresso poderia permitir novas possibilidades em detecção quiral, comunicação óptica e fotônica quântica.
“A quiralidade é muito importante em muitas áreas da ciência, da farmácia à química, biologia e, claro, física e fotônica”, disse Mazur. “Ao integrar cristais fotônicos torcidos com MEMS, temos uma plataforma que não é apenas poderosa do ponto de vista da física, mas também compatível com a forma como a fotônica moderna é fabricada.”
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 o campo aplicando as 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 uma única camada não possui.
Em sua pesquisa publicada em ÓPTICOA equipe demonstra que essa estrutura de bicamada torcida introduz naturalmente uma assimetria entre os lados esquerdo e direito, tornando-a altamente eficaz para controlar a 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 própria luz, que pode viajar em espiral.
A luz pode girar no sentido horário, conhecido como polarização circular direita, ou no sentido anti-horário, conhecido 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 consequências importantes. Na química e na medicina, moléculas que são imagens espelhadas umas das outras podem se comportar de maneira 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. Os instrumentos tradicionais, incluindo placas de onda e polarizadores lineares, podem detectar polarização, mas possuem capacidades fixas e alcance limitado.
Um dispositivo fotônico sintonizável controlado por MEMS
O novo dispositivo de Harvard supera essas limitações ao ser totalmente personalizável. 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 da construção de duas camadas. Quando as duas camadas de cristal fotônico convergem e giram, a estrutura torna-se geometricamente quiral e capaz de detectar o movimento da luz que entra. A forte interação entre as camadas leva a um comportamento de transmissão muito diferente para luz polarizada circularmente esquerda e direita sob “incidência normal” ou luz polarizada incidente perpendicularmente à superfície.
Ao usar um sistema MEMS para controlar com precisão o ângulo de rotação e o espaçamento entre as camadas, os pesquisadores demonstraram que o dispositivo pode ser ajustado para uma seletividade quase perfeita ao distinguir a luz.
Aplicações futuras em detecção e comunicação
A pesquisa também descreve uma estratégia de design mais ampla para a criação de cristais fotônicos de bicamada torcida com quiralidade óptica controlada. Embora o dispositivo atual sirva como prova de conceito, ele aponta para uma aplicação prática.
Sistemas futuros podem ser usados em detecção quiral, onde os dispositivos são ajustados para detectar moléculas específicas em diferentes comprimentos de onda. Eles também podem funcionar como moduladores dinâmicos de luz em sistemas de comunicação óptica, permitindo o controle preciso da luz diretamente no chip.
O artigo “Controle dinâmico da quiralidade óptica intrínseca via cristais fotônicos integrados a MEMS” foi coautor de Haanin Tang, Yifan Liu, Mingji Zhang, Beichen Lu, Guangqi Gao, Xuyang Li, Alcil Enriquez e Shanhui Fan.
