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Jun 15, 2023

Pesquisadores desenvolvem grafeno

Pesquisadores da Arizona State University (ASU) apresentaram um conceito de design para efeito de absorção saturável aprimorado com base em metassuperfície híbrida de grafeno-plasmônica com espessura de sub-ondas (<1/5λ0)

Pesquisadores da Arizona State University (ASU) apresentaram um conceito de design para efeito de absorção saturável aprimorado com base em estruturas híbridas de metassuperfície grafeno-plasmônica de comprimento de onda inferior (<1/5λ0) em comprimentos de onda infravermelhos. Yu Yao e sua equipe de pesquisa do Centro de Inovação Fotônica da ASU projetaram um componente de laser em nanoescala mais rápido e com maior eficiência energética, chamado absorvedor saturável de metaestrutura híbrida grafeno-plasmônica, conhecido como GPSMA.

Os resultados teóricos e experimentais da equipe demonstraram que, ao excitar portadores de desequilíbrio dentro de hotspots em nanoescala, seria possível não apenas aumentar a absorção saturável no grafeno, mas também reduzir a fluência de saturação em mais de 3 ordens de magnitude (de ∼1 mJ/cm2 a ∼100 nJ/cm2). Os resultados da medição da sonda-bomba sugeriram um tempo de recuperação de absorção saturável ultracurto (<60 fs), que é determinado pela dinâmica de relaxamento dos transportadores fotoexcitados no grafeno. Eles também observaram efeitos de estreitamento de pulso nos dispositivos com base nos resultados da medição de autocorrelação. Esses conceitos de projeto podem ser adaptados por meio de engenharia de estrutura para operar em faixas mais amplas de comprimento de onda, até regiões espectrais do infravermelho médio e distante. Esses designs de absorvedores saturáveis ​​​​de fluência ultrarrápidos e de baixa saturação podem permitir lasers de baixo limite, compactos e com modo bloqueado de inicialização automática, modelagem de pulso de laser e processamento de informações ópticas de alta velocidade.

Os lasers produzem feixes estreitos de luz. Quando a luz do laser interage com a superfície de um material em nanoescala, ela emite uma onda de luz conhecida como plasmon, e os atributos de um determinado plasmon podem sinalizar informações. Na transmissão óptica, um laser bombeia luz em um componente denominado absorvedor saturável para gerar um sinal óptico.

O GPSMA recentemente desenvolvido pela equipe tem aplicações potenciais nas indústrias de comunicação, processamento de informações, espectroscopia e biomédica. O absorvedor pode ser usado para aumentar a velocidade, eficiência e desempenho geral para avançar na transmissão de dados, processamento de informações, detecção biomédica e tecnologias de imagem.

A equipe de Yao tem incorporado um material híbrido metal-grafeno artificialmente projetado em seu trabalho devido às suas características benéficas em modulação óptica e absorção saturável.

Os cientistas alcançaram resultados impressionantes ao projetar um conjunto de antenas ópticas que foca a luz nas lacunas em nanoescala do material, conhecidas como pontos quentes, para aumentar a absorção. Ao focar o laser nesses pontos quentes, eles observaram melhor desempenho e diminuição do uso de energia.

“O grafeno é leve e tem um tempo de resposta óptico rápido, mas tem uma baixa taxa de absorção na forma de monocamada”, disse Yao. “Projetamos este dispositivo para que a absorção de luz no ponto quente em nanoescala possa ser aumentada em mais de três ordens de grandeza, resultando não apenas em forte absorção de luz, mas também em efeitos de absorção saturáveis. Com o GPSMA, estamos fabricando um dispositivo absorvedor saturável que poderia realmente reduzir o consumo de energia em quase duas ou três ordens de grandeza.”

Sua nova técnica pode abrir oportunidades para espectroscopia de laser infravermelho e comunicação de sinal óptico de alta velocidade com cabos de fibra óptica e comunicação por satélite devido à sua velocidade.

“Nosso dispositivo pode operar em velocidade recorde”, disse Yao. “Os absorvedores saturáveis ​​convencionais podem operar em escalas de tempo de nanossegundos, mas agora estamos chegando a aproximadamente 60 femtossegundos, o que é 100.000 vezes mais rápido.”

O GPSMA é atualmente operado no comprimento de onda do infravermelho próximo no espectro eletromagnético. Graças à ampla resposta óptica do grafeno, é possível estender sua cobertura espectral para comprimentos de onda mais longos na região espectral do infravermelho, que são de grande interesse para espectroscopia molecular e comunicações ópticas. No entanto, para comprimentos de onda mais longos, é convencionalmente mais difícil conseguir absorvedores saturáveis ​​e gerar pulsos de laser ultracurtos. O conceito de design do GPSMA poderia preencher esta lacuna tecnológica.