Modelo criado na Unicamp descreve interação entre luz e vibração mecânica em microcavidades

Estudo publicado na revista Physical Review Letters contempla tanto a dispersão da luz pelas vibrações no interior do dispositivo quanto a dissipação de luz para o exterior – aspecto ainda pouco estudado

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Microcavidades optomecânicas são estruturas extremamente pequenas, com dimensões inferiores a 10 micrômetros (o equivalente a um décimo da espessura de um fio de cabelo), que confinam luz e vibrações mecânicas em seu interior. O tamanho reduzido dessas estruturas, associado a eficientes técnicas de microfabricação, faz com que altíssimas intensidades de energia luminosa circulem dentro delas e interajam eficientemente com ondas mecânicas. Isso possibilita que as microcavidades sejam utilizadas como sensores de massa e aceleração e em espalhamento Raman (espalhamento da luz pela matéria). A compreensão desses fenômenos poderá contribuir no futuro para avanços em áreas como biomedicina, possibilitando o desenvolvimento de sensores para detectar moléculas marcadoras de câncer, por exemplo.

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.