vibrações mecânicas

Grupo formado por sete cientistas do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp publicou, em 11 de junho último, artigo na Nature Communications que traz novas contribuições para o entendimento e controle da interação entre a luz (fótons) e as vibrações elásticas (fônons) em nanoestruturas fotônicas, efeito conhecido na literatura como Espalhamento Brillouin. Os cientistas demonstraram, por meio de experimentos com um nanofio de sílica, que é possível controlar minuciosamente esta interação de modo que, mesmo na presença de vibrações de altíssimas frequências, a luz viaje através do nanofio sem sofrer perturbação alguma, como se o efeito fosse de repente apagado. “Atingir o cancelamento do espalhamento da luz por vibrações elásticas significa entender mais profundamente como a luz interage com a matéria nestas estruturas. No futuro, este entendimento nos permitirá desenvolver novos dispositivos como chips de computadores que integram eletrônica e fotônica ou mesmo sensores ópticos”, afirma o professor Paulo Dainese, um dos autores do trabalho.

De acordo com o docente, o artigo é resultado de vários anos de pesquisa de diferentes grupos do IFGW, que atuam de forma cooperativa. Participaram do estudo professores e pesquisadores dos departamentos de Eletrônica Quântica e Física Aplicada. “Um aspecto importante a se ressaltar é que tudo foi feito na Unicamp, desde a concepção do experimento até as simulações computacionais, fabricação das amostras e os sistemas experimentais. Estas ferramentas nos ajudam a criar independência científica”, informa Dainese, que cita ainda o apoio do Centro de Componentes Semicondutores (CCS).

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O Espalhamento Brillouin, explica o professor do IFGW, foi descrito teoricamente em 1922 pelo físico francês Léon Nicolas Brillouin. Entretanto, o efeito só pôde ser observado experimentalmente a partir dos anos 1960, com a invenção do laser. Durante muito tempo, o tema foi amplamente aplicado em fibras ópticas, tanto em sistemas de comunicações como também em sensores de temperatura e deformação. Há cerca de 10 anos, o assunto sofreu uma revolução e despertou o interesse de muitos cientistas no mundo todo.

O fato ocorreu principalmente porque o homem aprendeu a fabricar estruturas em escala nanométrica, o que lhe permitiu controlar as propriedades dos campos eletromagnéticos e dos campos elásticos como nunca antes, e o resultado disso foi uma ampla possibilidade de se fazer engenharia da interação da luz com a matéria. A partir de então, conforme o professor Dainese, diversos grupos de pesquisa passaram a utilizar o efeito tanto em estudos fundamentais, quanto no desenvolvimento de produtos tecnológicos, como os já citados sensores e geradores de sinais de radiofrequência.

Ocorre que nestas estruturas nanométricas, como é comum em vários fenômenos físicos, os efeitos de superfície passaram a ficar mais relevantes. “Agora, vibrações na superfície do material causam um efeito na luz que compete diretamente com aqueles causados por vibrações no interior, no corpo do material. Existe uma disputa entre vibrações internas e vibrações de superfície. Durante um bom tempo, prevaleceu a dúvida se este segundo tipo de vibração realmente interessava ou não”, relata.

Os cientistas do IFGW demonstraram com seu experimento não apenas que o segundo efeito é importante e comparável ao primeiro, mas também que ambos podem se anular mutuamente. O novo efeito foi batizado como “Brillouin scattering Self-Cancellation”, termo em inglês que significa “autocancelamento” e que vem exatamente do fato de que uma única onda acústica causa as perturbações internas e de superfícies, as quais cancelam uma a outra. “Não é que o nanofio deixa de vibrar, é simplesmente que os efeitos da vibração da superfície cancelam os efeitos das vibrações internas. O resultado é que a luz não “vê” nenhuma vibração”, pontua o docente.

Mas qual a importância, afinal, de se ampliar o conhecimento e o controle sobre a interação da luz com as vibrações mecânicas? O professor Dainese responde. “Primeiro, porque não é possível fugir dessas vibrações. Ao inserir a luz em uma estrutura fotônica (um guia de onda ou uma cavidade), o próprio campo eletromagnético gera as ondas acústicas, tanto no interior quanto na superfície. A luz não tem massa, mas tem o que classificamos de ‘momento’. Ou seja, quando atinge a estrutura e muda de direção, a luz transfere impulso para o material, fazendo-o vibrar. Por analogia, é como se ocorresse o ricocheteio de uma bola de bilhar que bate em outra”, compara o docente.

Segundo, continua o físico, porque ao controlar essa interação, os cientistas têm como manipular as suas propriedades e aplicá-las no aperfeiçoamento de dispositivos práticos. Um exemplo é utilizar o espalhamento Brillouin para gerar algumas funcionalidades básicas que já existem em chips eletrônicos, mas que para chips fotônicos são mais difíceis. Por exemplo, gerar sinais de referência de altas frequências, gerar filtros ressonantes, criar fusíveis ópticos, gerar moduladores de polarização, criar um amplificador óptico e outros. “No fim, é um efeito importante que pode ajudar os chips fotônicos a chegarem mais perto da realidade”.

Dainese lembra que, enquanto a eletrônica controla o fluxo de elétrons, a fotônica controla a luz. A combinação de ambas é fundamental para o avanço de diversas áreas, a da comunicação óptica em especial. “Nós já utilizamos lasers e fibras ópticas para transmitir informações. Por ano, são vendidos no mundo cerca de 300 milhões de quilômetros de fibras ópticas, o que daria para cumprir duas vezes a distância entre a Terra e o Sol. E por que é interessante usar a luz no lugar da corrente elétrica para fazer esse tipo de transmissão? Porque a capacidade de transmissão da luz é muito maior”, pormenoriza.

Atualmente, continua o docente do IFGW, a informação é processada pela eletrônica e depois convertida para a fotônica. “No futuro, isso estará presente dentro do chip, de forma integrada. A eletrônica continuará fazendo o processamento, mas o fluxo dos dados será tratado pela fotônica. Com os novos conhecimentos que estamos adquirindo, nós passaremos a fazer com os fótons o que já fazemos com os elétrons, ampliando imensamente a capacidade de transmissão”, antevê o físico. Além dele, também assinam o artigo publicado pela Nature Communications os seguintes cientistas: Gustavo Wiederhecker, Thiago Alegre, Cristiano Cordeiro e os alunos de pós-graduação Yovanny Espinel, Paulo Felipe Jarschel e Omar Florez.

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Cooperação
Com o natural processo de renovação do quadro docente da Unicamp, por causa principalmente das aposentadorias, algumas unidades de ensino e pesquisa da Universidade passaram a abrigar um contingente expressivo de jovens professores. É o caso do IFGW. Todos os autores do artigo em questão ingressaram recentemente na instituição. “Ficamos contentes em contribuir para trazer ainda mais energia para as pesquisas em Física”, diz Dainese. Três dos docentes autores do artigo coordenam projetos financiados pelo programa Jovens Pesquisadores, mantido pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

De acordo com Dainese, graças ao apoio da Fapesp e da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), todos contam com laboratórios bem equipados e prestes a serem transferidos para um novo prédio que está em fase de finalização. O edifício terá como foco pesquisas na área de fotônica, e abrigará pesquisas em materiais, em fabricação de nanoestruturas fotônicas, sistemas de caracterização e aplicações. O grupo destaca-se por ter tanto cientistas do Instituto de Física como da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC). “Como nossas pesquisas têm um forte caráter colaborativo, a concentração dos laboratórios num único espaço facilitará ainda mais essa interação”, analisa o professor do IFGW.

Além de gerar conhecimento novo e abrir a possibilidade para o desenvolvimento de produtos tecnológicos, as investigações conduzidas pelo grupo, assinala Dainese, são fundamentais para incrementar a formação de recursos humanos qualificados, que mais tarde estarão trabalhando tanto na indústria quanto no segmento acadêmico. “Como procuramos buscar respostas próprias para os vários problemas que surgem durante uma pesquisa, nossos estudantes aprendem a empregar esse olhar sistêmico e interdisciplinar na vida profissional. É importante colocar problemas desafiadores para nossos alunos, problemas que eles sabem que terão que competir com grupos de renome do mundo todo. Isso cria um ambiente produtivo, aumenta a confiança de nossos estudantes em se arriscarem mais e, no final, acaba ajudando a formar lideranças que estarão atuando em diferentes esferas do mundo do trabalho”, pontua o docente.

O trabalho em torno do Espalhamento Brillouin, assim como outros 10 artigos de autoria do grupo mais amplo de fotônica da Unicamp, foi apresentado em junho na maior conferência da área, que ocorreu em San Jose, na Califórnia [Conference on Lasers and Electro-Optics 2016]. “A participação da Unicamp foi bastante forte neste ano, o que ajuda a inserir o grupo no cenário internacional”, observa Dainese.

Texto: Manuel Alves Filho
Fotos: Antonio Scarpinetti
Edição de Imagens: André Vieira
Jornal Da Unicanp

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