É sabido há séculos que a luz exibe um comportamento ondulatório em certas situações. Alguns materiais são capazes de girar a polarização, ou seja, a direção de oscilação, da onda de luz quando a luz passa através do material. Esta propriedade é utilizada em um componente central de redes de comunicação óptica conhecido como “isolador óptico” ou “diodo óptico”. Este componente permite que a luz se propague em uma direção, mas bloqueia toda a luz na outra direção.
Em um estudo recente, físicos alemães e indianos mostraram que materiais bidimensionais ultrafinos, como o disseleneto de tungstênio, podem girar a polarização da luz visível em vários graus em certos comprimentos de onda sob pequenos campos magnéticos adequados para uso em chips. Os cientistas da Universidade de Münster, na Alemanha, e do Instituto Indiano de Educação e Pesquisa Científica (IISER) em Pune, na Índia, publicaram suas descobertas na revista Nature Communications.
Um dos problemas dos isoladores ópticos convencionais é que eles são bastante grandes, com tamanhos que variam entre vários milímetros e vários centímetros. Como resultado, os investigadores ainda não foram capazes de criar sistemas ópticos integrados miniaturizados num chip que sejam comparáveis às tecnologias electrónicas diárias baseadas em silício. Os atuais chips ópticos integrados consistem em apenas algumas centenas de elementos em um chip.
Em comparação, um chip de processador de computador contém muitos bilhões de elementos de comutação. O trabalho da equipe germano-indiana é, portanto, um passo em frente no desenvolvimento de isoladores ópticos miniaturizados. Os materiais 2D usados pelos pesquisadores têm apenas algumas camadas atômicas de espessura e, portanto, são cem mil vezes mais finos que um fio de cabelo humano.
“No futuro, os materiais bidimensionais poderão se tornar o núcleo dos isoladores ópticos e permitir a integração no chip para as tecnologias ópticas atuais e futuras de computação e comunicação óptica quântica”, diz o professor Rudolf Bratschitsch, da Universidade de Münster.
O professor Ashish Arora do IISER acrescenta: “Mesmo os ímãs volumosos, que também são necessários para isoladores ópticos, poderiam ser substituídos por ímãs 2D atomicamente finos”. Isso reduziria drasticamente o tamanho dos circuitos integrados fotônicos.
A equipe decifrou o mecanismo responsável pelo efeito encontrado: pares de elétrons-buracos ligados, os chamados excitons, em semicondutores 2D giram a polarização da luz com muita força quando o material ultrafino é colocado em um pequeno campo magnético.
De acordo com Arora, “realizar experimentos tão sensíveis em materiais bidimensionais não é fácil porque as áreas de amostra são muito pequenas”. Os cientistas tiveram que desenvolver uma nova técnica de medição cerca de 1,000 vezes mais rápida que os métodos anteriores.