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Grafeno produz pulsos laser ultracurtos diversificados

Experimentos sugerem que folhas de carbono podem produzir feixes em diferentes cores

AlexanderAIUS
O arranjo hexagonal de átomos de carbono do grafeno consegue absorver luz laser como uma esponja e depois liberá-la em rajadas que duram apenas uma fração de um nanosegundo.
Por Katia Moskvitch e revista Nature

O grafeno, conhecido como um dos materiais mais finos, fortes e condutivos já encontrados, parece ter  mais uma propriedade incrível. Experimentos sugerem que ele pode ser usado para criar pulsos laser ultracurtos de qualquer cor, o que se deve a uma capacidade de absorver luz de um amplo espectro de comprimentos de onda.

A descoberta poderia ajudar pesquisadores a construir lasers de pulsos ultracurtos pequenos, baratos e altamente versáteis, com um potencial de aplicação que vai de micro-maquinaria a medicina.

Lasers convencionais de pulso ultracurto usam um material que absorve luz como uma esponja e em seguida a emite de volta em rajadas rápidas, normalmente durando alguns femtosegundos (um femtosegundo é 10-15 segundos, ou um milionésimo de bilionésimo de segundo). Esses “absorvedores saturáveis” só funcionam em comprimentos de onda específicos, explica Roy Tayler, físico do Imperial College London. Aplicações como o monitoramento de poluentes na atmosfera precisam usar vários comprimentos de onda para detectar muitos tipos de moléculas, então são necessários vários lasers separados.

Em 2009, o físico Andrea Ferrari da University of Cambridge, no Reino Unido, e seus colaboradores, mostraram pela primeira vez que o grafeno – uma folha de carbono com um átomo de espessura, com os átomos arranjados em hexágonos como numa tela de arame – pode agir como uma esponja de luz no espectro infravermelho. Mais recentemente, Taylor, Ferrari e colegas do Reino Unido e da Suíça conseguiram fazer o material produzir pulsos de radiação infravermelha que duravam dezenas de femtosegundos.

Agora os pesquisadores melhoraram seu dispositivo para produzir um amplo espectro de comprimentos de onda infravermelhos, úteis em aplicações como comunicações por fibra ótica. Além disso, seus resultados, somados às propriedades conhecidas do grafeno, sugerem que o material tem a capacidade de produzir pulsos ultracurtos semelhantes em todo o espectro de luz visível, explica Ferrari. Os resultados mais recentes da equipe serão relatados em junho, na Conferência de Lasers e Eletro-Ótica em San Jose, na Califórnia.

Botão liga-desliga

A capacidade do grafeno de absorver luz de qualquer cor vem da estrutura peculiar dos níveis de energia de seus elétrons. Em um típico material sólido não-metálico, elétrons podem existir em um estado de baixa energia, em que ficam ligados a átomos, ou em um estado de energia mais alta, onde são capazes de se moverem e carregarem uma corrente elétrica. Entre esses dois estados fica um “intervalo de banda”, que requer certa energia para ser vencido. Um elétron pode cruzar o intervalo de banda se o material absorver luz com aquela energia específica – o que significa um comprimento de onda específico. Nos materiais semicondutores usados para produzir transistores em chips de computador, elétrons saltando através do intervalo de banda mudam a corrente de “desligado” para “ligado”.

No grafeno, em contraste, não há intervalo de banda, e a energia dos elétrons pode variar ao longo de um contínuo. Isso torna o grafeno de folha única inútil em transistores, explica Byuung Hee Hong, físico da Universidade Nacional de Seul, mas dá ao material uma vantagem ótica, permitindo que ele absorva um grande número de comprimentos de onda de luz.

“Normalmente, materiais diferentes são necessários para comprimentos de onda diferentes, e não há muitos materiais convencionais que podem ser usados para a região do infravermelho próximo”, observa Hong, que não se envolveu no novo estudo.

O grafeno também é química e mecanicamente estável o bastante para prevenir danos térmicos provocados por feixes laser intensos, adiciona Hong. E uma grande vantagem dos lasers de pulso ultracurto baseados em grafeno é que esses dispositivos podem ser do tamanho de um lápis, o que os torna versáteis e fáceis de usar.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 24 de maio de 2013.

sciam28maio2013