Como prender a luz no espaço de um átomo

Uma equipa internacional, que inclui cientistas do Centro de Física da Universidade do Minho (UMinho), confinou e guiou a luz pela primeira vez num espaço de apenas um átomo de espessura, criando para isso uma espécie de lego à escala atómica com materiais 2D. A inovação abre portas a novas aplicações em lasers, sensores e detetores à nanoescala. O estudo foi publicado na reputada revista “Science” e, além de Nuno Peres e Eduardo Dias, juntou o Instituto de Ciências Fotónicas de Barcelona (ICFO), o Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) e o apoio do Graphene Flagship, um consórcio com o maior financiamento europeu de sempre.

É o que se chama “meter o Rossio na betesga”. Para entender o impacto deste confinamento máximo da luz, basta lembrar que todos os dispositivos eletrónicos, desde computadores a smartphones, têm milhões de transístores. O primeiro transístor media um centímetro há 70 anos; com a evolução, é agora mil vezes menor do que 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 canal de comunicação ultrarrápido, por exemplo, entre seções de um chip e em sensores ultrassensíveis.

O desafio presente da ciência é desenvolver técnicas para confinar a luz em espaços milhões de vezes menores do que os atuais. Sabe-se que os metais podem comprimir a luz na escala de comprimento de onda, mas com perdas consideráveis de energia. A equipa que inclui os físicos da UMinho – e que foi coordenada por Frank Koppens, do ICFO – mudou agora o paradigma. Construiu um lego nano-ótico formado por uma monocamada de grafeno (um tipo de carbono), uma monocapa de nitreto de boro hexagonal (isolador) e, por cima, uma série de hastes metálicas, como se fossem colunas romanas. Usou-se o grafeno porque é capaz de “guiar” oscilações de eletrões que interagem fortemente com a luz.

Enviou-se então luz infravermelha através desse dispositivo, reduzindo até ao limite máximo o espaço entre o grafeno e o metal. Com surpresa, a luz continuou a propagar-se de forma livre e eficiente no espaço ocupado por um único átomo, sem perdas de energia, e aplicando uma simples tensão elétrica podia-se ativar ou desativar essa propagação. A descoberta pode vir a permitir aplicações em novos tipos de lasers, sensores, detetores e interruptores óticos ultrapequenos. Mais: permite explorar a manipulação de luz infravermelha à escala atómica e, ainda, interações extremas entre a luz e a matéria que antes não eram possíveis.

Eduardo Dias, bracarense de 24 anos, é licenciado e mestre em Física pela UMinho e o estudo agora publicado iniciou-se na sua tese de mestrado. A ele se devem todos os cálculos teóricos desta investigação, sob supervisão científica de Nuno Peres. Está a fazer doutoramento no ICFO. Nuno Peres nasceu há 50 anos em Arganil, Coimbra. O professor catedrático e vice-presidente da Escola de Ciências da UMinho estuda desde 2004 as propriedades eletrónicas e óticas de materiais bidimensionais, como o grafeno. Venceu, entre outros, os prémios “Gulbenkian Ciência”, “Mérito à Investigação da UMinho” e “Seeds of Science”. É o português cujas publicações científicas são as mais citadas internacionalmente, segundo a Clarivate Analytics.

Gabinete de Comunicação, Informação e Imagem - Universidade do Minho