Raio de partículas virtuais constrói nanoestruturas reais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2011

Vários exemplos do controle do feixe de luz e plasma, incluindo a mudança para diferentes direções (a e b) e a passagem por cima de obstáculos (os círculos cinza em c).
[Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Virtual que afeta o real

Um feixe de partículas virtuais é capaz de manipular partículas reais, construindo estruturas em nanoescala que superam os padrões atuais da eletrônica e da optoeletrônica.

Processadores e chips em geral, mas também células solares, sensores de câmeras digitais e componentes para telecomunicações por fibras ópticas dependem da luz para a sua construção.

O problema é que a miniaturização crescente está superando a capacidade da luz em "escavar" as nanoestruturas que formam esses componentes.

Enquanto a luz visível tem comprimentos de onda na faixa das centenas de nanômetros, os componentes eletrônicos já são medidos na faixa das dezenas de nanômetros. Isto tem exigido truques cada vez mais mirabolantes dos engenheiros.

Feixe híbrido de luz e plasma

Mas uma saída mais definitiva pode estar em partículas virtuais, conhecidas como plásmons de superfície que, se já não fossem estranhas o suficiente por si sós, agora foram dispostas na forma de um feixe curvo.

Desafiando o senso comum e as leis do eletromagnetismo, esse feixe não viaja de forma retilínea, como a luz com que estamos acostumados - ele forma um arco.

"É uma coisa esquisita, com certeza," concorda o Dr. Peng Zhang, dos Laboratórios Berkeley, nos Estados Unidos. "É por isso que as pessoas ficam tão interessadas nesses tipos de feixes tão interessantes."

Mas a coisa toda parece ainda mais exótica: os cientistas conseguiram pela primeira vez manipular um feixe híbrido de luz e plasma - eles o chamaram de feixe plasmônico de Airy, em homenagem ao astrônomo George Biddell Airy, que estudou o que parecia ser uma trajetória parabólica na luz do arco-íris.

Quando esse feixe híbrido de luz e plasma atinge uma superfície metálica - tipicamente em uma estrutura irregular, conhecida como gradeamento (grating) - ela gera pequenas ondas de elétrons na interface entre o metal e o ar.

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Os cientistas construíram um equipamento óptico controlado por computador que controla em tempo real o feixe de partículas virtuais.
[Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Essas ondas, conhecidas como polaritons de plásmons de superfície (SPP: surface plasmon polariton), são consideradas quasipartículas, ou partículas virtuais. São elas que formam o padrão em arco.

E, da mesma forma que as ondas do oceano movem objetos que estejam na superfície da água, os polaritons podem ser dirigidos para manipular e criar estruturas ultrafinas na superfície do metal.

Nova nanoferramenta

Os polaritons permitem lidar com objetos com uma dimensão equivalente à metade do comprimento de onda da luz necessária para gerá-los.

Até agora, porém, só se sabia como dirigir os polaritons usando nanoestruturas fixas, uma falta de flexibilidade que vinha limitando seu uso na construção de novos nanocomponentes.

Já o feixe de Airy em arco pode ser guiado em tempo real - e guiar o feixe significa guiar os polaritons que entram em sua composição.

Nasce, portanto, uma nova ferramenta para a criação de sistemas, circuitos e componentes em nanoescala, que dispensa qualquer estrutura-guia para dirigir o feixe de energia que realmente faz o trabalho - até agora era necessário um grande aparato que inclui guias de ondas, lentes, divisores de feixe e refletores.

Usando uma óptica controlada por computador, a equipe desenvolveu uma forma de dirigir e manipular os feixes curvos, dirigindo sua trajetória com precisão para pontos específicos sobre a superfície a ser trabalhada.

Por ser arqueado, o feixe tem a grande vantagem, em relação aos feixes diretos de luz, de superar defeitos e saliências no material.

"A natureza ultrafina dos plásmons de superfície torna-os uma ferramenta promissora para a nanolitografia do futuro e para aplicações em nanoimagem," disse Sheng Wang, outro membro da equipe.

O trabalho foi coordenado pelo Dr. Xiang Zhang, que tem uma longa lista de inovações na área da fotônica e da plasmônica.

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