Alvo microscópico liga luz e movimento

Ser capaz de associar luz a um movimento mecânico – por exemplo, usar lasers para medir a intensidade de uma força, ou aproveitar o deslocamento de uma peça mecânica para modular um sinal luminoso – é algo fundamental não só para a realização de experimentos científicos, como também para administrar o enorme fluxo de informação que viaja por fibras ópticas, como sinais de TV a cabo ou o tráfego da internet.  Descrita recentemente no periódico Optics Express, da Optical Society of America(OSA), uma criação microscópica dos pesquisadores Thiago Alegre e Gustavo Wiederhecker, do Departamento de Física Aplicada da Unicamp, pode tornar essas tarefas mais precisas e eficientes, além de abrir caminho para o estudo de questões fundamentais da Física.

O pesquisador Tiago Alegre, de frente para a câmara, vestindo camisa xadrez de mangas curtas, ajusta esquipamentos eletrônicos em bancada de seu laboratório
Thiago Alegre, do Departamento de Física Aplicada do Instituto de Física Gleb Wataghin

 Chamado “bullseye” – termo em inglês que se refere ao centro de um alvo como os usados em provas de tiro esportivo e tiro com arco – o dispositivo consiste num disco de silício com aproximadamente 24 mícrons de diâmetro, apoiado num pedestal também microscópico. O diâmetro de um fio de cabelo humano pode chegar a 100 mícrons. O disco é marcado por ranhuras circulares concêntricas, o que o torna realmente semelhante a um alvo, daí o nome.

“Imagine um par de espelhos paralelos, onde um deles pode se mover, afastando-se ou aproximando-se do outro”,  descreve o pesquisador da Unicamp Thiago Alegre, um dos autores do artigo que descreve o “bullseye”, explicando o princípio geral por trás dos dispositivos optomecânicos, que associam movimento à luz.

“Conforme a distância entre os espelhos varia, o comprimento de onda da luz confinada entre eles também muda. Sabendo isso, é possível usar luz para interrogar o estado do sistema – onde os espelhos estão, com que velocidade se movem, que força atua sobre eles”, exemplifica. “Se controlarmos os espelhos, podemos usá-los, por exemplo, para modular a luz. Já se eles forem bem leves e pequenos, podemos então usar a pressão gerada por um raio de luz para movê-los. Assim, acabamos usando luz para modular ou filtrar a luz”.

Em termos práticos, dispositivos assim podem ser usados em sensores de movimento ou aceleração, como os que existem nos modernos smartphones, ou no controle do fluxo de dados por fibras ópticas.

O “bullseye” é um tipo especial de dispositivo porque, além de ter tamanho minúsculo (centenas de unidades podem ser integradas num chip de poucos milímetros quadrados), também pode ser fabricado em grande escala – é compatível com os processos industriais existentes – e seu design permite que as partes óptica e mecânica sejam ajustadas separadamente. “Fizemos um design distinto dos que já existiam, que consegue lidar com o problema de confinamento da luz e das ondas mecânicas, mas se adequando às regras de fabricação da indústria”, disse Alegre.

O estudante de doutorado Felipe Santos, de perfil, usa pinça para posicionar um pequeno chip óptico sobre plataforma de testes no interior de uma caixa de vidro
Felipe Santos, principal autor do artigo que descreve a criação do "bullseye"

“A forma como a luz e as ondas mecânicas são confinadas no dispositivo é uma das inovações desse design”, disse o principal autor do artigo que descreve o dispositivo, o aluno de doutorado Felipe Santos.

“A luz é confinada na borda por um efeito de reflexão interna total, ela pode ficar por um longo tempo dando a volta no disco. Esse é o confinamento óptico”, disse ele. “Na parte acústica, o confinamento está ligado àquelas ranhuras circulares no disco. Elas criam regiões de frequência proibidas para a onda mecânica se propagar, de modo que ela fica confinada na borda. E é isso que dá a liberdade de sintonizar mecanicamente ou opticamente, de forma independente. Para sintonizar opticamente eu tenho de mudar só o tamanho total, o raio total do dispositivo, e para sintonizar mecanicamente eu tenho que controlar, basicamente, o tamanho da região onde a onda mecânica vai ficar e essa grade circular de confinamento”.

“Essencialmente, nesses dispositivos bullseye, os modos de vibração que acoplam  com a luz são os modos que ficam perto da luz. Então, se a luz fica na borda, a vibração tem que estar perto da borda para que haja interação. Não adianta a vibração mecânica estar perto do centro, ela não vai conversar com a luz, porque para nas ranhuras”, acrescentou Alegre.

Imagem, em escala de 5 micrômetros, dos de dispositivo bullseye, um disco com ranhuras concêntricas como um alvo

Em termos de ciência básica, o design do bullseye poderá ajudar no estudo das fronteiras entre o mundo da física clássica e o da física quântica, disse o pesquisador.

“A luz pode exercer força, exercer pressão e aumentar ou diminuir a amplitude de vibração do modo mecânico. Em termos de pesquisa fundamental, tem uma coisa muito interessante que é você parar a vibração”, descreveu Alegre. “Com a luz, podemos retirar energia das ondas mecânicas a ponto de seu modo de vibração estar quieto, ou melhor, fundamentalmente quieto, tão quieto que sua temperatura efetiva seja próxima ao zero absoluto”.

“Quando a temperatura efetiva chega a esse ponto, as questões fundamentais aparecem naturalmente, porque, embora seja minúsculo, o disco ainda é enorme em termos de teoria fundamental”, disse ele.

“Há bilhões ou trilhões de átomos nessa estrutura, mas eles estão todos quietos, agora. Comportando-se de uma maneira que só é prevista pela mecânica quântica. E aí você começa a olhar para esses dispositivos e se indagar: se os movimentos mecânicos são descritos pela mecânica quântica, mas esse objeto tem o tamanho de um objeto clássico, será que não podemos então ver essa transição entre coisas que são pequenas, e sempre se comportam quanticamente, e coisas que são grandes e sempre se comportam classicamente?”

Além de Felipe Santos e dos pesquisadores Thiago Alegre e Gustavo Wiedehecker, o artigo é assinado pelos alunos de pós graduação Yovanny Espinel, Gustavo Luiz e Rodrigo Benevides.