Modelo criado na Unicamp descreve
interação entre luz e vibração mecânica em microcavidades
 |
| Esquema com nanopartícula de ouro (Au), acima de espelho metálico, mostrando a vibração molecular para a molécula orgânica BTP |
|
Um estudo conduzido no Centro de
Pesquisa em Fotônica da Universidade Estadual de Campinas (Photonicamp)
investigou um processo menos conhecido associado ao acoplamento optomecânico. E
criou um modelo teórico que foi validado por meio de simulações e comparação com
resultados experimentais bem documentados na literatura. Os resultados foram
apresentados em artigo, publicado no periódico Physical Review Letters.
“O que acontece nesses sistemas
são dois fenômenos interdependentes. Por um lado, a luz exerce pressão sobre a
cavidade em que está confinada. Por outro, as vibrações mecânicas espalham essa
luz. A interação entre os dois fenômenos pode se dar de duas formas distintas.
Caso a luz espalhada permaneça no interior do dispositivo, temos a chamada
interação dispersiva. Caso a luz escape para o exterior da cavidade, ocorre,
então, a chamada interação dissipativa”, diz à Agência FAPESP o físico Thiago
Alegre.
Professor do Instituto de Física
Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) e pesquisador
do Photonicamp, Alegre foi o coordenador do estudo, que teve como autor
principal seu estudante de doutorado André Garcia Primo. Além da bolsa de
doutorado direto conferida a Primo, o estudo contou com apoio da FAPESP por
meio de outros cinco projetos (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 e
18/25339-4).
Participaram da coordenação os
professores Newton Cesário Frateschi e Gustavo Silva Wiederhecker.
Enquanto a interação dispersiva é
bastante conhecida e constitui a base de avanços importantes no campo da
optomecânica – como, por exemplo, no interferômetro LIGO, responsável pela
detecção de ondas gravitacionais em 2016 –, a interação dissipativa tem sido
apenas marginalmente explorada em experimentos. “Essa escassez de experimentos
está fortemente relacionada à inexistência de uma base teórica que seja capaz
de descrever o quão forte é a interação dissipativa para um dado dispositivo. A
contribuição de nosso trabalho é exatamente uma formulação teórica que engloba
ambas as interações, a dispersiva e a dissipativa”, explica Alegre.
Isso é feito utilizando a chamada
teoria de perturbação, na qual se assume que a interação optomecânica é
razoavelmente fraca, de modo que, em primeira aproximação, torna-se possível
tratar luz e vibração mecânica de maneira independente. Com o conhecimento dos
comportamentos ópticos e mecânicos calculados individualmente, é possível
descrever o acoplamento optomecânico de forma bastante simples.
“A novidade está no jeito como
realizamos esse último passo. Essencialmente, ao contrário do que sempre foi
feito, nós consideramos que o comportamento da luz no dispositivo é física e
matematicamente afetado pela possibilidade de a luz fugir da cavidade. Ao
levarmos isso em conta, percebemos que era possível descrever ambas as
interações, dispersiva e dissipativa, com um alto grau de precisão”, conta
Primo.
Na última parte do trabalho, os
pesquisadores testaram sua teoria por meio de dois exemplos experimentais bem
documentados na literatura. Em um deles, os autores investigaram
experimentalmente uma cavidade optomecânica feita de silício e mostraram que
ambas as interações, dispersiva e dissipativa, eram relevantes para explicar os
fenômenos observados. “Nós mostramos que nossa teoria está em perfeita
concordância com o experimento realizado, tornando-se então uma ferramenta
preciosa para a obtenção de dispositivos nos quais esses fenômenos não
convencionais são potencializados”, afirma Alegre.
O segundo exemplo utilizado
refere-se a nanocavidades optomecânicas plasmônicas feitas de ouro. Essas
nanocavidades são capazes de confinar a luz em volumes muito menores do que as
microcavidades, atuando essencialmente como nanolentes. É possível detectar o
movimento mecânico de moléculas individuais que se encontrem acopladas a esses
dispositivos. Essa possibilidade possui uma ampla gama de aplicações, das quais
se sobressai a detecção de compostos químicos em meios biológicos, visando a
identificação de substâncias que podem, por exemplo, indicar condições
patológicas. “Com nossa teoria mostramos que, embora nunca tenha sido
reportado, o espalhamento dissipativo de luz por moléculas é extremamente
importante para os fenômenos optomecânicos nesses sistemas”, comenta
Primo.
Alegre acrescenta que alguns
resultados obtidos em experimentos recentes, e que ainda não haviam sido bem
compreendidos, ficam corretamente descritos quando se leva em conta o modelo
produzido pelo estudo que ele coordenou.
O artigo Quasinormal-Mode
Perturbation Theory for Dissipative and Dispersive Optomechanics pode ser lido
em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.233601.
Noticia: Agência Fapesp
