O Brillouin da luz interagindo com a matéria

Com informações da Agência Fapesp - 06/12/2018

Fenômenos distintos operam no mesmo microdisco para manipular ondas eletromagnéticas e ondas mecânicas.
[Imagem: Felipe G. S. Santos et al. - 10.1364/OE.25.000508]

Espalhamento de Brillouin

O espalhamento de Brillouin - fenômeno que leva o nome do físico francês Léon Brillouin (1889-1969) - ocorre quando ondas de luz e vibrações mecânicas interagem dentro de um material.

Isso ocorre quando os fótons - as partículas elementares da força eletromagnética (ou, a grosso modo, partículas de luz) - incidem em um meio material, emitindo ou absorvendo fônons, que são a energia vibracional que decorre da oscilação coletiva de átomos.

Em telecomunicações por fibra óptica, o espalhamento de Brillouin é um dos fatores que limitam as informações transmitidas, especialmente em linhas de comunicação de longa distância, onde alguns miliwatts (milésimo de watt) de potência são suficientes para que os fótons retornem à fonte emissora, em vez de seguirem até o receptor.

Pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) têm feito progressos de projeção internacional nessa área por meio do projeto e fabricação de guias de ondas, pequenas estruturas que guiam ondas eletromagnéticas ou ondas sonoras, e cavidades optomecânicas, que têm-se mostrado capazes de ampliar ou suprimir essas interações indesejadas.

Esses progressos, encampados na área da fotônica, têm aplicações nas mais diversas áreas, como energia, manufatura, robótica, telas, saúde e comunicações.

Uma pastilha de microdiscos (em cima), fabricada com as técnicas padrão da indústria.
[Imagem: Felipe G. S. Santos et al. - 10.1364/OE.25.000508]

Microdisco ressonante

O mais recente avanço da equipe brasileira foi obtido com novo tipo de dispositivo optomecânico que usa um disco de silício microscópico para confinar ondas ópticas e mecânicas.

O disco é compatível com os processos de fabricação da indústria microeletrônica e pode ser uma solução para melhorar sensores que detectam força e movimento.

"A forma como desenhamos o dispositivo permite aumentar os níveis de interação entre as ondas de luz e mecânicas que perpassam por ele. 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", explicou o professor Thiago Mayer Alegre.

O disco de silício, com 24 micrômetros de diâmetro, fica apoiado em um pedestal central de dióxido de silício para que o disco vibre. Sua superfície tem um formato semelhante a um alvo de dardos, com ranhuras circulares concêntricas em escala nanométrica. Esse formato permite confinar as ondas de luz e mecânicas usando mecanismos separados para cada tipo de onda.

A equipe também já projetou outros dispositivos fotônico de silício, que pretende construir no futuro próximo. O primeiro deles poderá viabilizar a interação entre ondas ópticas e mecânicas que vibram na faixa de dezenas de gigahertz (GHz), enquanto o outro permitirá poderá ser transposto para microchips fotônicos.

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