Lentes na escala nanométrica?… Bolhas!


Penn State

Bolhas, as novas lentes para feixes de luz em nanoescala

 IMAGEM: Imagens de laboratório de um feixe de luz. A primeira, sem a lente de bolha; as três seguintes mostrando os efeitos das lentes de bolha.

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Entortar feixes de luz segundo seus caprichos pode parecer um trabalho para um feiticeiro ou para um complexo trambolho composto por espelhos, lentes e prismas, no entanto umas poucas pequenas bolhas de líquido podem ser tudo que preciso para abrir as portas para uma nova geração de circuitos e mostradores de alta velocidade, segundo os pesquisadores da Penn State.

Para combinar a velocidade da comunicação óptica com a portabilidade dos circuitos eletrônicos, os pesquisadores recorreram à nano-plasmônica – dispositivos que empregam ondas eletromagnéticas curtas para modular a luz na escala de nanômetros, onde a óptica convencional não funciona. No entanto, mirar e focalizar estes feixes de luz modulados para os alvos desejados é algo difícil.

“Existem diferentes dispositivos de estado sólido para controlar (feixes de luz), para ligá-los e desligá-los ou modulá-los, mas as suas manutenção e reconfiguração são muito limitadas”, diz Tony Jun Huang, professor associado de ciências de engenharia e mecânica. “Usar uma bolha apresenta um monte de vantagens”.

E a vantagem principal de uma lente de bolha é exatamente o quão rápido e facilmente os pesquisadores podem reconfigurar posição, tamanho e formato da bolha – todos coisas que afetam a direção e o foco de qualquer feixe de luz que passar através dela.

A equipe de Huang criou simulações separadas dos feixes de luz e das lentes de bolhas para predizer seus comportamentos e otimizar as condições, antes de combinar os dois no laboratório. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications.

Para formar lentes de bolha, os pesquisadores usaram um laser de baixa intensidade para aquecer água sobre uma superfície de ouro. O comportamento óptico da pequena bolha permanece constante, enquanto a potência do laser e a temperatura ambiente continuarem constantes.

 IMAGEM: Um feixe de luz em nano-escala, modulado por curtas ondas eletromagnéticas, conhecidos como SPP, passa pela lente de bolha.

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A simples movimentação do laser, ou o ajuste de sua potência, podem modificar a maneira como a bolha irá refratar um feixe de luz, tanto como um feixe de luz concentrado em um alvo específico, como uma onda dispersa. Mudar o líquido também afeta como um feixe de luz será refratado.

Os materiais para formar as lentes de bolha são baratos e as próprias bolhas são fáceis de dissolver, substituir e mover.

“Além de sua capacidade sem precedentes de reconfiguração e facilidade de manutenção, nossa lente de bolha tem ao menos mais uma vantagem sobre suas contra-partes de estado sólido: sua lisura natural”, acrescenta Huang. “Quanto mais lisa for uma lente, melhor será a qualidade da luz que passa através dela”.

Huang acredita que o próximo passo será descobrir como o formato da bolha influencia a direção do feixe de luz e a posição de seu ponto focal. A capacidade de ajuste fino desses feixes de luz permitirá melhoramentos em dispositivos biomédicos em chips e imageamento em resolução superior.

“Para todas essas aplicações, é realmente necessário controlar precisamente a luz em nano-escala e é aí que este trabalho pode ser um componente muito importante”, finaliza Huang.

 

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Chenglong Zhao, doutor associado para ciências de engenharia e mecânica, da Penn State, projetou e conduziu a experiência; Yongmin Liu, professor assistente de engenharia mecânica e industrial, e de engenharia elétrica e de computação da Northeastern University, trabalharam em conjunto com Nicholas Fang, professor associado de engenharia mecânica do MIT, para analisar os resultados e desenvolver simulações; e Yanhui Zhao, estudante de pós-graduação em ciências de engenharia e mecânica da Penn State, fabricou os materiais.

O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciências e o Centro para Ciência em Nano-escala da Penn State.

 

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