De acordo com a mais recente edição da revista Nature Nanotechnology, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Graz, na Áustria, da Universidade de Harvard e da Universidade do Texas em Austin, nos Estados Unidos, desenvolveram uma nova estrutura de metassuperfície que combina camadas de semicondutores com nanoestruturas, aumentando a eficiência de conversão de luz em cerca de 72.000 vezes em comparação com materiais anteriores. Este avanço tem potencial para impulsionar o desenvolvimento das tecnologias de telecomunicações e quântica.
As redes modernas de comunicação por fibra óptica utilizam as propriedades de propagação linear da luz para transmitir informações. No entanto, para aplicações como computação complexa, tecnologias quânticas e criptografia quântica, bem como pentes de frequência óptica usados em medições de alta precisão, a propagação linear da luz por si só não é suficiente — é necessário utilizar a polarização não linear para permitir que fótons interajam entre si e troquem informações.
Tradicionalmente, estruturas cristalinas como o niobato de lítio são usadas para alcançar o acoplamento não linear de ondas de luz. No entanto, esse método exige grandes volumes de material e alta energia luminosa, o que limita a miniaturização e as aplicações dos dispositivos relacionados. O ponto de partida desta pesquisa foi um material semicondutor especial desenvolvido pela equipe. Utilizando a técnica de epitaxia por feixe molecular, eles fabricaram camadas semicondutoras de arseneto de gálio e arseneto de gálio-alumínio em escala nanométrica, contendo poços quânticos acoplados de forma assimétrica. Os poços quânticos restringem o movimento dos elétrons, fazendo com que formem níveis de energia quantizados. Devido ao design assimétrico dos poços quânticos, os elétrons tendem a se mover em uma direção quando expostos à luz. A oscilação eletrônica não linear resultante permite que diferentes ondas de luz interajam entre si de forma mais eficiente.
No entanto, para aproveitar plenamente o potencial desse material, a luz precisa se propagar paralelamente à camada semicondutora. Para resolver esse problema, a equipe construiu uma camada de metassuperfície sobre a camada semicondutora. A metassuperfície é composta por nanopilares de dióxido de titânio dispostos em um padrão de tabuleiro de xadrez, cada um com apenas algumas centenas de nanômetros de tamanho. Ela pode alterar a direção de propagação da luz, fazendo com que esta se propague ao longo da camada semicondutora, aproveitando assim plenamente as propriedades não lineares do material.
Os experimentos revelaram que, quando a luz incide perpendicularmente sobre o dispositivo, devido à simetria da estrutura geométrica, os campos de luz se cancelam mutuamente, tornando quase impossível a geração de harmônicos de segunda ordem. Os pesquisadores precisaram apenas inclinar o dispositivo em cerca de 0,3 graus para quebrar essa simetria, permitindo que a polarização não linear fosse gerada de forma eficiente.
Uma maior eficiência de conversão significa que, no futuro, será possível fabricar dispositivos ópticos menores e com menor consumo de energia, como a redução do consumo energético na transmissão de informações entre computadores dentro de data centers. Essa tecnologia também pode ser aplicada em áreas como fotônica integrada e processamento de dados em larga escala.