Este microchip incorpora duas técnicas ganhadoras do Prêmio Nobel

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/03/2023

O feixe de laser que passa pelo meio da membrana do trampolim cria vibrações harmônicas que permitem medir distâncias com altíssima precisão.
[Imagem: Sciencebrush]

Dois Nobel em um chip

Os pentes de frequência - ou grades de frequência -, que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2005, hoje são usados em diversas tecnologias fotônicas, por exemplo nos instrumentos mais precisos para medir tanto distâncias em pequena escala quanto o tempo.

O Nobel de Física de 2018, por sua vez, premiou as pinças ópticas, armadilhas de luz que usam laser para aprisionar e manipular partículas, átomos, vírus e células vivas.

Agora, pesquisadores da Universidade Delft de Tecnologia, nos Países Baixos, colocaram essas duas técnicas dentro de um chip, criando um sensor capaz de medir distâncias com altíssima precisão, e fazer isto em ambientes hoje inalcançáveis, como em ambientes subaquáticos ou dentro do corpo humano.

Como a tecnologia usa vibrações sonoras em vez de luz, ela é útil para medições de posição de alta precisão também em materiais opacos, onde as tecnologias ópticas não funcionam porque a luz não penetra neles.

Micrografia do protótipo real.
[Imagem: Matthijs H. J. de Jong et al. - 10.4121/19821016.v1.]

De ondas de luz para ondas sônicas

A parte central do microchip consiste em uma folha de cerâmica, cerca de 1.000 vezes mais fina que a espessura de um fio de cabelo, com a forma de um trampolim. Esse trampolim é cheio de furos, para melhorar sua interação com os lasers.

Quando a luz incide sobre a superfície do trampolim, ela vibra intensamente, gerando um padrão de vibrações e, portanto, de variações na luz refletida. Na verdade, as vibrações apresentam um padrão que nunca havia sido documentado antes, e essa assinatura óptica, que emerge de forma muito parecida com um pente de frequência, funciona como uma régua para medições precisas de distância.

O curioso é que essa régua funciona não com luz, mas com as ondas sônicas geradas pela vibração do trampolim - em termos de partículas, o trabalho é feito pelos fônons, e não pelos fótons. E isso simplifica tudo, criando um sensor que dispensa qualquer hardware de precisão.

"Ele requer apenas a inserção de um laser e nada mais. Não há necessidade de complexos circuitos de realimentação ou de ajustar certos parâmetros para que nossa tecnologia funcione corretamente. Isso a torna uma tecnologia muito simples e de baixo consumo de energia, muito mais fácil de miniaturizar em um microchip," explicou o professor Richard Norte. "[Quando totalmente desenvolvidos] poderemos realmente colocar esses sensores de microchip em qualquer lugar, devido ao seu pequeno tamanho."

Princípio de funcionamento do sensor.
[Imagem: Matthijs H. J. de Jong et al. - 10.4121/19821016.v1.]

Pentes de frequência acústica

Curiosamente, as duas técnicas padrão Nobel que foram utilizadas para construir o sensor, as pinças ópticas e os pentes de frequências, não parecem ter muita coisa em comum, a não ser o fato de usarem a luz.

"O interessante é que ambos os conceitos são tipicamente relacionados à luz, mas esses campos não têm nenhuma sobreposição real. Nós os combinamos de forma única para criar uma tecnologia de microchip fácil de usar baseada em ondas sonoras. Essa facilidade de uso pode ter implicações significativas sobre como medimos o mundo ao nosso redor," disse Norte.

Especificamente, as forças exercidas pela luz, usadas nas pinças ópticas, são responsáveis pela vibração precisa induzida no trampolim.

"Você pode comparar os harmônicos no trampolim com notas específicas de um violino. A nota ou frequência que o violino produz depende de onde você coloca o dedo na corda. Se você tocar a corda apenas levemente e tocá-la com um arco, poderá criar harmônicos, uma série de notas em frequências mais altas. No nosso caso, o laser atua tanto como um toque suave quanto como arco, para induzir vibrações harmônicas na membrana do trampolim," explicou o pesquisador.

Por sua vez, os pentes de frequência são responsáveis pela tradução das vibrações induzidas pela luz nas ondas sônicas que fazem o dispositivo funcionar, e fazer isto de um modo que permita fazer as medições.

"Nós fabricamos uma versão acústica de um pente de frequência, feito de vibrações sonoras na membrana, em vez de luz. Pentes de frequência acústica podem, por exemplo, fazer medições de posição em materiais opacos, através dos quais as vibrações podem se propagar melhor do que as ondas de luz. Essa tecnologia pode, por exemplo, ser usada para medições de precisão subaquáticas para monitorar o clima da Terra, para imagens médicas e para aplicações em tecnologias quânticas," completou Norte.

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