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Brasileiros explicam interao entre luz e vibrao mecnica
Com informações da Agência Fapesp – 11/01/2021
Microcavidades optomecnicas
As microcavidades optomecnicas so pequenos dispositivos que podem armazenar tanto a luz (ftons) quanto vibraes (fnons), o que as torna promissoras para uma srie de aplicaes tecnolgicas.
Com dimenses inferiores a 10 micrmetros, essas microcavidades absorvem altssimas intensidades de energia luminosa, que ficam circulando dentro delas – a luz fica "presa" – e interagem com ondas mecnicas de forma muito eficiente.
Isso possibilita seu uso como sensores de massa, sensores de acelerao e em espalhamento Raman (espalhamento da luz pela matria), uma tcnica que promete avanos em reas como biomedicina, possibilitando o desenvolvimento de sensores para detectar molculas marcadoras de cncer, por exemplo.
Para viabilizar essas aplicaes, contudo, preciso antes compreender em detalhes tudo o que acontece no interior das microcavidades optomecnicas, sobretudo como a luz e as vibraes interagem.
Interao dispersiva e interao dissipativa
"O que acontece nesses sistemas so dois fenmenos interdependentes. Por um lado, a luz exerce presso sobre a cavidade em que est confinada. Por outro, as vibraes mecnicas espalham essa luz. A interao entre os dois fenmenos pode se dar de duas formas distintas. Caso a luz espalhada permanea no interior do dispositivo, temos a chamada interao dispersiva. Caso a luz escape para o exterior da cavidade, ocorre, ento, a chamada interao dissipativa," explicou o professor Thiago Alegre.
Enquanto a interao dispersiva bastante conhecida e constitui a base de avanos importantes no campo da optomecnica – como, por exemplo, no interfermetro LIGO, responsvel pela deteco de ondas gravitacionais em 2016 -, a interao dissipativa tem sido apenas marginalmente explorada em experimentos.
Os pesquisadores brasileiros demonstraram agora que os dois fenmenos esto integrados, podendo ser explicados pela mesma teoria.
"Essa escassez de experimentos est fortemente relacionada inexistncia de uma base terica que seja capaz de descrever o quo forte a interao dissipativa para um dado dispositivo. A contribuio do nosso trabalho exatamente uma formulao terica que engloba ambas as interaes, a dispersiva e a dissipativa," detalhou Thiago.
Esquema com nanopartcula de ouro (Au), acima de espelho metlico, mostrando a vibrao molecular para a molcula orgnica BPT. [Imagem: Andr Garcia Primo/Unicamp]
Teoria da perturbao
A equipe brasileira utilizou a chamada teoria da perturbao, na qual se assume que a interao optomecnica razoavelmente fraca, de modo que, em uma primeira aproximao, torna-se possvel tratar luz e vibrao mecnica de maneira independente. Com o conhecimento dos comportamentos pticos e mecnicos calculados individualmente, possvel descrever o acoplamento optomecnico de forma bastante simples.
"A novidade est no jeito como realizamos esse ltimo passo. Essencialmente, ao contrrio do que sempre foi feito, ns consideramos que o comportamento da luz no dispositivo fsica e matematicamente afetado pela possibilidade de a luz fugir da cavidade. Ao levarmos isso em conta, percebemos que era possvel descrever ambas as interaes, dispersiva e dissipativa, com um alto grau de preciso," contou Andr Primo, principal autor do trabalho.
Os pesquisadores testaram sua teoria por meio de dois exemplos experimentais. Em uma cavidade optomecnica feita de silcio, ambas as interaes, dispersiva e dissipativa, mostraram-se relevantes para explicar os fenmenos observados.
O segundo exemplo utilizou nanocavidades optomecnicas plasmnicas feitas de ouro. Essas nanocavidades so capazes de confinar a luz em volumes muito menores do que as microcavidades, atuando essencialmente como nanolentes. possvel detectar o movimento mecnico de molculas individuais que entrem em contato com esses dispositivos. "Com nossa teoria mostramos que, embora nunca tenha sido reportado, o espalhamento dissipativo de luz por molculas extremamente importante para os fenmenos optomecnicos nesses sistemas", comentou Andr.
Essa possibilidade possui uma ampla gama de aplicaes, das quais se sobressai a deteco de compostos qumicos em meios biolgicos, visando a identificao de substncias que podem, por exemplo, indicar condies patolgicas.
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