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Direto da Ciência

Dispositivo apresenta maior nível de interação entre luz e movimento

Publicado em 01 fevereiro 2017

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Agência Fapesp

Os dispositivos optomecânicos – capazes de confinar simultaneamente ondas de luz e mecânicas, de modo a possibilitar que interajam – podem ser úteis tanto para o estudo de questões fundamentais da Física, como para o uso de luz para detectar movimento, como já fazem os chamados acelerômetros. Presentes em smartphones, esses componentes eletrônicos ajustam a orientação da tela de paisagem para retrato e vice-versa, ao detectar o movimento de rotação do aparelho pelo usuário.

O uso desses dispositivos optomecânicos para estudar fenômenos quânticos macroscópicos – no qual as propriedades da matéria em escala macroscópica, como as vibrações mecânicas, passam a ser governadas pelas leis que regem os átomos (a mecânica quântica) – ou para identificar movimentos muito sutis requer, contudo, níveis extremamente elevados de interação – ou acoplamento – entre as ondas de luz e as ondas mecânicas, conforme explicam especialistas na área.

Um grupo liderado pelos pesquisadores Thiago Pedro Mayer Alegre e Gustavo Silva Wiederhecker, do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), conseguiu desenvolver, durante pesquisas apoiadas pela FAPESP na modalidade de auxílio Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes, um dispositivo optomecânico com um novo design que permitiu apresentar níveis de acoplamento entre as ondas de luz e as mecânicas maiores do que os relatados para outros dispositivos semelhantes desenvolvidos em laboratório.

O novo dispositivo optomecânico e a demonstração experimental de seu funcionamento foram relatados em um artigo publicado na revista Optic Express, destacado pela Optical Sociey of America.

“A forma como desenhamos o dispositivo permite aumentar os níveis de interação entre as ondas de luz e mecânicas que perpassam por ele”, disse Alegre, à Agência FAPESP.

“Dessa forma, o dispositivo poderá ter tanto aplicações práticas, como subsidiar nossa pesquisa básica, ajudando a responder algumas perguntas como o que acontece na transição entre o mundo microscópio quântico e o mundo macroscópico clássico”, exemplificou.

O dispositivo criado pelos pesquisadores, baseado em um disco de silício com 24 mícrons de diâmetro e apoiado em um pedestal central de dióxido de silício para que o disco vibre, possui um formato semelhante a um alvo de dardo – chamado bullseye, em inglês – com ranhuras circulares concêntricas.

Esse formato permite confinar as ondas de luz e mecânicas no dispositivo usando mecanismos separados.

As ondas de luz ficam confinadas somente na borda do disco por reflexão interna total – um fenômeno óptico em que, dependendo do ângulo de incidência sobre a interface entre dois meios (como a água e o ar), a luz é completamente refletida, como uma fonte luminosa no interior de uma piscina ou aquário. Dessa forma, a luz fica comprimida próxima à borda do disco, percorrendo o círculo por um longo tempo. Já as vibrações mecânicas podem se espalhar por todo o material.

As ranhuras circulares concêntricas, entretanto, criam regiões de frequência proibidas para a propagação de ondas mecânicas de modo que estas fiquem confinadas somente na parte externa do disco, onde interagem diretamente com a luz, explicou Alegre.

“Ao confinar as ondas de luz e mecânicas na borda do disco foi possível aumentar a interação entre elas. Dessa forma será possível explorar questões como fenômenos quânticos em objetos macroscópicos”, afirmou.

Processo de fabricação

Em dispositivos desenvolvidos por outros grupos de pesquisa, as ranhuras circulares concêntricas foram usadas para confinar ondas de luz na região central, e não nas bordas, como os pesquisadores da Unicamp fizeram agora.

Com base na constatação de que as vibrações mecânicas, assim como as ópticas, podem ser entendidas como ondas, o grupo de Alegre teve a ideia de usar as ranhuras circulares concêntricas para confinar as ondas mecânicas na borda do dispositivo e fazer com que interajam com maior intensidade com as ondas ópticas nessa mesma região.

“A ideia de desenvolver o disco com esse desenho de alvo de dardo foi evitar que o modo mecânico ‘enxergasse’ o pedestal central que suporta o disco e permitisse que a estrutura toda vibrasse, eliminando as perdas mecânicas”, afirmou.

Segundo ele, o dispositivo é altamente personalizável e compatível com os processos de fabricação industrial existentes hoje, o que o torna uma solução para melhorar sensores que detectam força e movimento, por exemplo.

Uma de suas potenciais aplicações seria na área de telecomunicações, como modulador óptico.

Uma vez que o dispositivo tem a propriedade de perceber e excitar a vibração mecânica, poderia ser usado como uma chave óptica, ligando ou desligando um feixe de laser que o atravessa, de forma muito mais eficiente do que as tecnologias moduladoras usadas hoje em redes de telecomunicações ópticas, exemplificou.

“Como o dispositivo foi fabricado de acordo com os processos industriais atuais, qualquer grupo do mundo poderia reproduzi-lo”, afirmou.

O grupo de pesquisadores da Unicamp, que também é integrado por Newton Cesário Frateschi e Felippe Alexandre Silva Barbosa, tem se dedicado à nanofotônica – ramo que estuda a interação entre a matéria e a luz confinada em diminutas regiões.

O artigo “Hybrid confinement of optical and mechanical modes in a bullseye optomechanical resonator” (doi: 10.1364/OE.25.00508), de Alegre e outros, pode ser lido na revista Optic Express em www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-2-508.