Uma equipa científica, que inclui Tatiana Rappoport e Nuno Peres, do Centro de Física da Escola de Ciências da Universidade do Minho, confinou radiação infravermelha no volume mais pequeno de sempre. A inovação abre portas a aplicações em áreas tão diversas como a dos metamateriais (materiais artificiais com novas propriedades), a segurança (sensores no controlo de fronteiras) e a espectroscopia molecular (deteção de pequeníssimas concentrações de moléculas). O estudo saiu na reputada revista “Science”, tendo a coautoria de cientistas do Instituto de Ciências Fotónicas (Espanha), do Instituto Tecnológico de Massachusetts (EUA), das universidades de Paris-Saclay (França) e Duke (EUA) e o apoio do consórcio Graphene Flagship, financiado pela Comissão Europeia.

Para entender o impacto deste confinamento máximo da radiação infravermelha, um tipo de radiação semelhante à usada num comando de televisão, basta lembrar que os dispositivos eletrónicos – desde smartphones a sondas médicas e nano-satélites – têm milhões de transístores. Um transístor que há 60 anos ocupava a palma da mão é hoje mil vezes menor do que a espessura de um fio de cabelo. Os cientistas tentam reduzir ao máximo o tamanho dos dispositivos que controlam e guiam a luz, pois esta pode ser um meio de comunicação ultrarrápido entre, por exemplo, seções de um chip e em sensores ultrassensíveis. O desafio agora é criar técnicas para limitar a luz a espaços milhões de vezes menores do que os atuais.

Dez mil milhões de vezes menor

Sabe-se que os isoladores (lentes de vidro, por exemplo) podem comprimir a luz na escala espacial de um comprimento de onda. O grafeno, um condutor orgânico com uma só camada de átomos carbono e propriedades óticas e elétricas excecionais, permite “guiar” oscilações elétricas que interagem fortemente com a luz. Em 2018, também na “Science”, parte da equipa científica referida mostrou pela primeira vez como guiar a luz ao longo do grafeno, ou seja na espessura de um só átomo. Para tal, criou um “lego” bidimensional de grafeno (condutor) e nitreto de boro (isolante), encimado por hastes metálicas (como as colunas romanas). Faltava agora confinar a luz infravermelha no mais ínfimo espaço a três dimensões (“cavidade”) para vermos a sua capacidade de interagir com pequenas moléculas.

Os cientistas espalharam então numa folha de grafeno, ao acaso, cubos de prata tão pequenos quanto 50 nanómetros. Depois, enviaram luz infravermelha, que se propagou na “cavidade” formada entre o grafeno e cada nanocubo. Estes cubos eram 200 vezes menores que o comprimento de onda da radiação incidente, mas a sua interação gerou uma ressonância eletromagnética, ou seja um novo tipo de antena, capaz de confinar espacialmente a luz infravermelha com muita eficiência. Essa ressonância manteve o fluxo de energia eletromagnética na “cavidade” num volume dez mil milhões de vezes menor do que o ocupado pela luz infravermelha comum, algo nunca antes alcançado. O resultado da experiência pode ser visto como o dito popular “meter o Rossio na Betesga”.

Autor da imagem: Matteo Ceccanti

+Info: www.cf-um-up.pt, www.fisica.uminho.pt, www.ecum.uminho.pt, graphene-flagship.eu/news/Pages/Smallest-cavity-for-light-realized-by-graphene-plasmons.aspx