Rgua de luz miniaturizada, levando preciso nas medies a qualquer lugar

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Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 15/03/2024

Uma imagem de microscpio mostrando um chip de niobato de ltio de pelcula fina que contm oito dos novos dispositivos FM-OPO. Um dispositivo ocupa cerca de 110 mm2 (destacado aqui com um retngulo tracejado).
(Imagem: Kevin Multani/Hubert Stokowski)

Rguas de luz

Trenas, metros, rguas, micrmetros e outros dispositivos de medio so bons e nos ajudam muito no dia a dia. Mas se voc precisar de mais preciso, como no dia a dia de quem trabalha com chips de computador ou nos laboratrios de pesquisas, ainda no existe nada melhor do que uma rgua de luz.

Tecnicamente chamados pentes de frequncia, ou micropentes, esses referenciais de medio de alta preciso so lasers especializados que geram linhas de luz uniformemente espaadas, semelhantes aos dentes de um pente ou, mais apropriadamente, s marcaes de uma rgua. Nascidas na virada deste sculo, essas rguas de luz revolucionaram muitos tipos de medio, desde a cronometragem at a deteco molecular por meio de espectroscopia.

No entanto, como os pentes de frequncia requerem equipamentos volumosos, caros e que consomem muita energia, sua utilizao tem sido largamente limitada a ambientes laboratoriais.

Mas talvez logo possamos ter uma “trena de luz de bolso”, graas ao trabalho de Hubert Stokowski e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, que descobriram uma soluo alternativa para esses problemas integrando duas abordagens diferentes para miniaturizar pentes de frequncia em uma plataforma simples e fcil de fabricar no estilo microchip.

Entre as muitas aplicaes que os pesquisadores imaginam para sua tecnologia verstil esto poderosos dispositivos de diagnstico mdico portteis e sensores de monitoramento de gases de efeito estufa que possam ser instalados em qualquer lugar.

“A estrutura do nosso pente de frequncia rene os melhores elementos da tecnologia emergente de micropentes em um nico dispositivo,” disse Stokowski. “Podemos potencialmente dimensionar nosso novo micropente de frequncia para dispositivos compactos, de baixo consumo de energia e baratos, que podem ser implantados em praticamente qualquer lugar.”

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Estrutura e micrografia da rgua de luz miniaturizada.
(Imagem: Hubert S. Stokowski et al. – 10.1038/s41586-024-07071-2)

Pente de frequncia miniaturizado

O novo instrumento de medio combina duas estratgias para criar a gama de frequncias distintas, ou cores de luz, que constituem um pente de frequncias. Uma estratgia, chamada oscilao paramtrica ptica, envolve refletir feixes de luz laser dentro de um meio cristalino, onde a luz gerada se organiza em pulsos de ondas coerentes e estveis. A segunda estratgia centra-se no envio da luz laser para uma cavidade e, em seguida, na modulao da fase da luz – obtida aplicando sinais de radiofrequncia ao dispositivo – para, em ltima anlise, produzir repeties de frequncia que agem como pulsos de luz.

Com tanta nomenclatura tcnica, o nome da rgua de luz porttil tambm no ficou simples: Oscilador Paramtrico ptico Integrado Modulado em Frequncia, ou FM-OPO (Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator).

Todas essas tcnicas j eram conhecidas, mas so pouco usadas porque so energeticamente ineficientes, com as “marquinhas” da rgua de luz ficando cada vez mais fracas quanto mais longe do centro. A equipe resolveu isto substituindo o silcio por uma estrela dos materiais de alta tecnologia, o niobato de ltio, usado em processadores fotnicos, que usam luz em vez de eletricidade.

O pente de frequncias produziu uma sada contnua, em vez de pulsos de luz, o que permitiu aos pesquisadores reduzir a potncia de entrada necessria em aproximadamente uma ordem de grandeza. O dispositivo tambm produziu um pente convenientemente “plano”, o que significa que as linhas do pente mais distantes em comprimento de onda do centro do espectro no perdem intensidade, oferecendo assim maior preciso e utilidade mais ampla em aplicaes de medio.

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O chip est quase pronto para ser fabricado industrialmente.
(Imagem: Hubert S. Stokowski et al. – 10.1038/s41586-024-07071-2)

Rumo s fbricas

Com alguns aprimoramentos para que ele possa ser fabricado fora do laboratrio, o novo micropente dever ser produzido em fundies convencionais de microchips, com muitas aplicaes prticas, como deteco, espectroscopia, diagnsticos mdicos, comunicaes de fibra ptica e dispositivos vestveis de monitoramento de sade.

“Nosso chip micropente pode ser colocado em qualquer coisa, com o tamanho do dispositivo dependendo do tamanho da bateria,” disse Stokowski. “A tecnologia que demonstramos poder estar dentro de um dispositivo pessoal de baixa potncia, do tamanho de um telefone ou at menor, e servir a todos os tipos de propsitos teis.”

Bibliografia:

Artigo: Integrated frequency-modulated optical parametric oscillator
Autores: Hubert S. Stokowski, Devin J. Dean, Alexander Y. Hwang, Taewon Park, Oguz Tolga Celik, Timothy P. McKenna, Marc Jankowski, Carsten Langrock, Vahid Ansari, Martin M. Fejer, Amir H. Safavi-Naeini
Revista: Nature
Vol.: 627, pages 95-100
DOI: 10.1038/s41586-024-07071-2

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