Pesquisadores e engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia alcançaram um marco significativo ao miniaturizar um laser pulsado ultrarrápido a ponto de incorporá-lo em um chip. Esses lasers ultrarrápidos, premiados com o Nobel de Física deste ano, desempenham um papel crucial na investigação das escalas de tempo mais rápidas da natureza, como a compreensão da criação ou quebra de ligações moleculares durante reações químicas e a propagação da luz.
A capacidade de lasers com modo bloqueado, caracterizados por alta velocidade, intensidade de pico de pulso e cobertura de amplo espectro, tem impulsionado tecnologias fotônicas, como relógios atômicos ópticos, imagens biológicas e computadores que utilizam luz para cálculos e processamento de dados. Contudo, os lasers pulsados ultrarrápidos de última geração são atualmente sistemas caros, intensivos em energia e restritos a ambientes laboratoriais.
A inovação de colocar um laser em um chip, liderada por Qiushi Guo e equipe, destaca-se na revista Science, visando revolucionar a fotônica ultrarrápida, transformando sistemas laboratoriais volumosos em dispositivos de chip que podem ser produzidos em massa e implementados em campo.
Produzir um laser de modo bloqueado eficiente em um chip é um desafio complexo. Qiushi Guo alcançou esse feito utilizando um material inovador, a película fina de niobato de lítio (TFLN). Esse material possibilita uma modelagem altamente eficaz e controle preciso dos pulsos de laser por meio de um sinal elétrico externo de radiofrequência.
A equipe combinou de maneira inovadora o alto ganho dos lasers de semicondutores III-V com a eficiente capacidade de modelagem dos pulsos dos guias de onda fotônicos em nanoescala, feitos de niobato de lítio. Isso resultou na construção de um protótipo de laser que emite uma potência de pico de 0,5 watt, um avanço significativo para um laser em um chip. No entanto, a equipe busca ainda mais, aspirando por lasers ultrarrápidos do tamanho de um chip com intensidade de pico de pulso superior a 1 watt para viabilizar sistemas em escala de chip significativos.
O laser de modo bloqueado em um chip não apenas destaca-se por seu tamanho compacto, mas também exibe propriedades além do alcance dos lasers convencionais, com implicações significativas para futuras aplicações. Por exemplo, ao ajustar a corrente de bombeamento do laser, Qiushi Guo conseguiu afinar precisamente as frequências de repetição dos pulsos de saída em uma ampla faixa, atingindo 200 MHz. Esse avanço possibilita a construção de pentes de frequência com emissão estabilizada, fundamentais para detecção de alta precisão.
“Essa conquista abre portas para a utilização de telefones celulares no diagnóstico de doenças oculares ou análise de alimentos e ambientes em busca de agentes como E. coli e vírus perigosos”, destaca Guo. “Além disso, pode viabilizar a criação de relógios atômicos futuristas em escala de chip, permitindo navegação quando o GPS estiver comprometido ou indisponível.”
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