Brasileiros explicam interação entre luz e vibração mecânica
Além de poder revolucionar as telecomunicações, as microcavidades
ópticas têm sido usadas para criar memórias RAM de luz, novos tipos de laser e componentes ópticos. |
Microcavidades optomecânicas
As microcavidades optomecânicas
são pequenos dispositivos que podem armazenar tanto a luz (fótons) quanto
vibrações (fônons), o que as torna promissoras para uma série de aplicações
tecnológicas.
Com dimensões inferiores a 10
micrômetros, essas microcavidades absorvem altíssimas intensidades de energia
luminosa, que ficam circulando dentro delas - a luz fica "presa" - e
interagem com ondas mecânicas de forma muito eficiente.
Isso possibilita seu uso como
sensores de massa, sensores de aceleração e em espalhamento Raman (espalhamento
da luz pela matéria), uma técnica que promete avanços em áreas como
biomedicina, possibilitando o desenvolvimento de sensores para detectar moléculas
marcadoras de câncer, por exemplo.
Para viabilizar essas aplicações,
contudo, é preciso antes compreender em detalhes tudo o que acontece no
interior das microcavidades optomecânicas, sobretudo como a luz e as vibrações
interagem.
Pesquisadores da Unicamp
(Universidade Estadual de Campinas) acabam de desvendar mais um desses
detalhes.
Interação dispersiva e interação
dissipativa
"O que acontece nesses
sistemas são dois fenômenos interdependentes. Por um lado, a luz exerce pressão
sobre a cavidade em que está confinada. Por outro, as vibrações mecânicas
espalham essa luz. A interação entre os dois fenômenos pode se dar de duas
formas distintas. Caso a luz espalhada permaneça no interior do dispositivo,
temos a chamada interação dispersiva. Caso a luz escape para o exterior da
cavidade, ocorre, então, a chamada interação dissipativa," explicou o
professor Thiago Alegre.
Enquanto a interação dispersiva é
bastante conhecida e constitui a base de avanços importantes no campo da
optomecânica - como, por exemplo, no interferômetro
LIGO, responsável pela detecção
de ondas gravitacionais em 2016 -, a interação dissipativa tem sido
apenas marginalmente explorada em experimentos.
Os pesquisadores brasileiros
demonstraram agora que os dois fenômenos estão integrados, podendo ser explicados
pela mesma teoria.
"Essa escassez de
experimentos está fortemente relacionada à inexistência de uma base teórica que
seja capaz de descrever o quão forte é a interação dissipativa para um dado
dispositivo. A contribuição do nosso trabalho é exatamente uma formulação
teórica que engloba ambas as interações, a dispersiva e a dissipativa,"
detalhou Thiago.
Esquema com nanopartícula de ouro (Au), acima de espelho
metálico, mostrando a vibração molecular para a molécula orgânica BPT. |
Teoria da perturbação
A equipe brasileira utilizou a
chamada teoria da perturbação, na qual se assume que a interação optomecânica é
razoavelmente fraca, de modo que, em uma primeira aproximação, torna-se
possível tratar luz e vibração mecânica de maneira independente. Com o conhecimento
dos comportamentos ópticos e mecânicos calculados individualmente, é possível
descrever o acoplamento optomecânico de forma bastante simples.
"A novidade está no jeito
como realizamos esse último passo. Essencialmente, ao contrário do que sempre
foi feito, nós consideramos que o comportamento da luz no dispositivo é física
e matematicamente afetado pela possibilidade de a luz fugir da cavidade. Ao
levarmos isso em conta, percebemos que era possível descrever ambas as
interações, dispersiva e dissipativa, com um alto grau de precisão,"
contou André Primo, principal autor do trabalho.
Os pesquisadores testaram sua
teoria por meio de dois exemplos experimentais. Em uma cavidade optomecânica
feita de silício, ambas as interações, dispersiva e dissipativa, mostraram-se
relevantes para explicar os fenômenos observados.
O segundo exemplo utilizou
nanocavidades optomecânicas plasmônicas feitas de ouro. Essas nanocavidades são
capazes de confinar a luz em volumes muito menores do que as microcavidades,
atuando essencialmente como nanolentes. É possível detectar o movimento
mecânico de moléculas individuais que entrem em contato com esses dispositivos.
"Com nossa teoria mostramos que, embora nunca tenha sido reportado, o
espalhamento dissipativo de luz por moléculas é extremamente importante para os
fenômenos optomecânicos nesses sistemas", comentou André.
Essa possibilidade possui uma
ampla gama de aplicações, das quais se sobressai a detecção de compostos
químicos em meios biológicos, visando a identificação de substâncias que podem,
por exemplo, indicar condições patológicas.
Noticia: Inovação Tecnologica