Artigo científico em destaque: estrada de sentido único para a luz.



O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Liang Feng, Ye-Long Xu, William S. Fegadolli, Ming-Hui Lu, José E. B. Oliveira, Vilson R. Almeida, Yan-Feng Chen & Axel Scherer. Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies. Nature Materials, 2013, 12 (2), pp 108–113. DOI:10.1038/nmat3495.

 

Texto de divulgação: Estrada de sentido único para a luz.

A capa da Nature Materials de fevereiro destacou o artigo.

Em sua edição de fevereiro, a revista científica Nature Materials, cujo fator de impacto está acima dos 32 pontos, destacou na capa uma pesquisa que contou com a participação de três pesquisadores brasileiros. O título estampado na capa da revista, “One-way road for light” (estrada de sentido único para a luz), alude a uma propriedade demonstrada pelos autores do artigo por meio de um dispositivo fabricado por eles: a capacidade de refletir a luz em uma única direção.

Em termos gerais, o dispositivo é um guia de ondas que possibilita a transmissão da luz em ambos os sentidos de propagação (para frente e para trás), mas impede a reflexão em apenas um dos sentidos contrários à propagação. Esse efeito de reflexão unidirecional também pode ser compreendido como invisibilidade unidirecional. “Uma vez que o dispositivo não possibilita a reflexão da luz em uma direção, ele pode ser considerado invisível nessa direção”, explica William Fegadolli, um dos autores brasileiros do artigo.

Essa propriedade vinha sendo buscada por grupos de pesquisa do mundo. Alguns trabalhos publicados chegaram a propor estruturas para conseguir a unidirecionalidade, mas a pesquisa destacada na capa da Nature Materials se diferencia de artigos anteriores em várias questões. Uma das mais importantes é o fato de que a equipe de pesquisadores demonstrou experimentalmente o efeito, fabricando um dispositivo e colocando-o em funcionamento. “Os trabalhos anteriormente publicados eram condições teóricas que combinavam ganhos e perdas para construir estruturas unidirecionais, fato que tornava tais estruturas muito difíceis de serem construídas devido à complexidade necessária dos materiais requeridos e à incompatibilidade dos processos de fabricação disponíveis para tal demonstração”, diz Fegadolli.

Já no trabalho publicado em fevereiro na Nature Materials, os materiais e procedimentos usados não apenas viabilizam a fabricação do dispositivo como também são totalmente compatíveis com a tecnologia CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor) utilizada na fabricação de circuitos integrados (chips), que estão presentes em computadores e eletrônicos.

Com essas características, a pesquisa ganha uma relevância especial na área de fotônica em silício, que busca substituir interconexões elétricas por interconexões ópticas em circuitos integrados, os quais são fabricados em grande parte com silício. Com essa substituição, pretende-se reduzir o consumo de energia dissipada e aumentar a velocidade de processamento da informação. Nesse contexto, Fegadolli avalia os resultados apresentados no artigo como “uma demonstração de conceito embrionária que pode permitir a construção de blocos essenciais para a demonstração de computação puramente óptica em plataforma de silício”.

A demonstração experimental

O dispositivo consiste num guia de ondas de silício de 800 por 220 nanometros, tamanho compatível com seu uso em microchips, que possui, periodicamente, pequenas estruturas de germânio, cromo e silício devidamente projetadas em sua superfície. O guia de ondas está inserido numa plataforma de dióxido de silício.

Imagens do dispositivo fabricado antes da deposição de oxido de silício (a) estrutura periódica completa e (b) visão magnificada destacando suas dimensões longitudinais.

Para a demonstração experimental do efeito de reflexão unidirecional, a equipe se inspirou em conceitos da teoria quântica de campos, mais precisamente na condição de “parity-time”, que combina simetrias de reversão de paridade e de reversão temporal. No dispositivo em questão, explica Fegadolli, “a unidirecionalidade da reflexão é obtida devido a uma condição particular onde as simetrias de reversão de paridade e de tempo geram um ponto excepcional que quebra a simetria de propagação eletromagnética em estruturas periódicas”.

A equipe de trabalho

William Fegadolli acabou de defender sua tese de doutorado sobre síntese de dispositivos ópticos integrados em silício no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica e Computação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Grande parte do trabalho publicado na Nature Materials foi desenvolvida durante o estágio de doutorado-sanduíche de Fegadolli no California Institute of Technology (Caltech), no Grupo de Nanofabricação coordenado pelo professor Axel Scherer.

Além de Fegadolli e de Scherer, participaram como autores do artigo o Coronel Aviador Vilson Rosa de Almeida (orientador de doutorado de Fegadolli, professor colaborador do ITA e diretor do Instituto de Estudos Avançados – IEAv ), o professor do ITA José Edimar Oliveira (co-orientador do doutorado), mais um pesquisador do Grupo de Nanofabricação e três cientistas da Universidade de Nanjing (China).


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