Um novo nanolaser mecanicamente “extensível” baseado em nanopartículas de ouro modeladas em uma placa elastomérica cercada por um ganho líquido pode emitir laser em diferentes comprimentos de onda de luz. O novo dispositivo, inspirado nos camaleões-pantera, pode ser usado para fazer telas ópticas coloridas e flexíveis e comunicações ópticas multicanais.

Os pesquisadores descobriram recentemente que certas espécies de camaleões mudam a cor de sua pele (de verde para amarelo, por exemplo) ajustando ativamente uma rede de nanocristais de guanina dentro das células iridóforas. Essas células nada mais são do que cristais fotônicos sintonizáveis ​​– materiais nanoestruturados nos quais a variação periódica do índice de refração na escala de comprimento da luz visível produz um gap fotônico. Este intervalo de bandas afeta a forma como os fótons se propagam através do material – assim como um potencial periódico em semicondutores afeta o fluxo de elétrons que define intervalos de bandas de energia permitidos e proibidos.

Nos cristais fotônicos, a luz de certas faixas de comprimento de onda pode passar através dos materiais enquanto a luz em outras faixas é refletida. Isso permite que a cor refletida pelos cristais seja ajustada alterando o band gap.

Voltando aos camaleões: nestes animais, esta lacuna é determinada pela distância entre os nanocristais de guanina não compactados, que pode ser ajustada deformando a pele circundante (elástica). Isto permite mudanças de cor em toda a faixa visível do espectro eletromagnético.

Controlando mecanicamente a cor do laser

“Inspirados pela natureza, pretendíamos criar uma fonte de laser mecanocrômica que também pudesse mudar de cor por meio de um mecanismo semelhante”, explica Teri Odom da Northwestern University, que liderou este esforço de pesquisa. “Para fazer tal dispositivo, no qual poderíamos controlar mecanicamente a cor do laser, exploramos uma cavidade de laser baseada em um conjunto periódico de nanopartículas em uma matriz de polímero (PDMS) extensível e moléculas de corante líquido ao redor das nanopartículas.”

A superfície das nanopartículas suporta elétrons de condução que oscilam coletivamente. Essas oscilações são conhecidas como plasmons de superfície e, no caso dos arranjos de nanopartículas metálicas, são chamados de “plasmons de rede”. É graças a esses plasmons que, quando acoplados à luz, permitem que a luz seja comprimida até a nanoescala e focada em pontos menores que metade do seu comprimento de onda (o chamado limite de difração).

A maioria dos lasers baseados em plasmons feitos até hoje têm sido difíceis de ajustar facilmente porque o ganho óptico foi feito a partir de materiais sólidos, como semicondutores inorgânicos ou corantes orgânicos em uma matriz sólida. Os pesquisadores do Noroeste recentemente desenvolveu uma maneira de superar esse problema usando um material de ganho líquido (feito de moléculas de corante líquido) com as matrizes de nanocavidades plasmônicas.

Há muitas vantagens no uso de moléculas de corante líquido”, explica Odom. “Por um lado, podemos dissolvê-los em diferentes solventes com diferentes índices de refração. Isso nos permite ajustar o ambiente dielétrico em torno das nanopartículas, o que também nos permite ajustar o comprimento de onda do laser em tempo real. Materiais de ganho líquido podem ser manipulados facilmente (em um canal microfluídico, por exemplo), o que também nos permite ajustar a emissão do laser simplesmente usando líquidos com diferentes índices de refração.”

Modos de cavidade de alta qualidade

“Neste novo trabalho, as nanopartículas grandes (cerca de 260 nm de diâmetro) que usamos em nossa rede (que tem um espaçamento de 600 nm) produzem modos de cavidade de alta qualidade que toleram defeitos e superfícies irregulares da amostra, acrescenta ela. “O campo eletromagnético confinado nesses modos de cavidade resulta na ação do laser de regiões próximas às nanopartículas que suportam 'plasmons de rede quadrupolo híbridos' e pequenas mudanças na distância entre partículas produzem uma mudança no comprimento de onda do laser. Ao esticar e liberar o substrato elastomérico, podemos selecionar a cor de emissão do laser à vontade.”

Este é exactamente o princípio utilizado pelos nossos amigos camaleões para ajustar a cor da sua pele, excepto que eles usam a pressão osmótica para comprimir a estrutura do cristal fotónico na sua pele, em vez de esticá-la.

“A tecnologia poderá ser usada em futuros displays ópticos flexíveis, como telas de televisão e telefones celulares, que exigem fontes de luz coerentes”, disse Odom. Mundo da física. “Nosso sistema pode ser ajustado do ultravioleta ao infravermelho próximo simplesmente usando diferentes materiais de ganho, o que é promissor para displays fotônicos coloridos e comunicações ópticas multicanais.”

Renmin Ma da Escola de Física da Universidade de Pequim, que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz que o estudo é “um passo significativo” para a produção de nanolasers funcionais. “A combinação de material de ganho dinamicamente mutável e estrutura de cristal mecanicamente extensível supera uma grande barreira para a realização de lasers de alto desempenho com ampla faixa de ajuste.”

Törmä Päivi da Universidade de Aalto, na Finlândia, concorda: “A combinação de substrato extensível e ressonâncias multipolares de nanopartículas permite um controle mecânico fácil e robusto da cor da luz laser”, diz ela. “Este trabalho nos inspirará a pensar de forma diferente sobre as aplicações de arranjos de nanopartículas plasmônicas.”

O novo nanolaser extensível é detalhado em Nano Letters 10.1021/acs.nanolett.8b01774.