Notícia

Engenheiros abrem caminho para a próxima geração de lasers ultravioleta profundos

Divulgação, Universidade Cornell

Fonte

Universidade Cornell

Data

quinta-feira, 7 abril 2022 18:50

Áreas

Ciência dos Materiais. Engenharia Biomédica. Física Médica. Nanotecnologia.

Engenheiros da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, criaram um laser ultravioleta profundo usando materiais semicondutores que são muito promissores para melhorar o uso da luz ultravioleta na esterilização de instrumental médico, purificação da água, detecção de gases perigosos e fotolitografia de precisão, entre outras aplicações.

Quando se trata de luz ultravioleta, duas qualidades importantes são a frequência – certas frequências são melhores para destruir vírus ou detectar moléculas – e largura de linha, uma medida da precisão do laser. Cientistas e engenheiros buscam fontes de emissão de luz ultravioleta de maior qualidade e eficiência, mas é um desafio trabalhar com os materiais semicondutores que podem permitir isso.

Um artigo publicado recentemente na revista científica AIP Advances detalhou como os cientistas de Cornell produziram um dispositivo baseado em nitreto de gálio-alumínio capaz de emitir um laser ultravioleta profundo nos comprimentos de onda e larguras de linha modais desejados.

“Sabe-se que este é um material adequado, mas era um problema de síntese de materiais”, disse Len van Deurzen, doutorando em Física Aplicada e Engenharia que liderou a pesquisa. “O desafio é tornar os materiais puros o suficiente para que sejam realmente úteis e sustentem os requisitos de um laser.”

Foi um desafio que Len van Deurzen aceitou durante a pandemia de COVID-19, quando o mercado começou a crescer para LEDs ultravioleta e outras ferramentas capazes de detectar e eliminar o vírus SARS-CoV-2. “Eu queria um projeto de pesquisa que pudesse ter impacto”, disse Lenvan Deurzen, “e a pandemia realmente amplificou a necessidade de dispositivos ultravioleta aprimorados”.

Sob a orientação dos autores seniores do artigo, Dr. Debdeep Jena e a Dra. Huili Grace Xing, ambos professores de Ciência e Engenharia de Materiais e de Engenharia Elétrica e de Computação, a equipe usou epitaxia por feixe molecular, uma técnica de crescimento de cristais, para cultivar um cristal de alta qualidade de nitreto de alumínio.

“Precisamos de várias camadas de nitreto de gálio-alumínio empilhadas umas sobre as outras e um parâmetro importante é a qualidade da interface entre essas camadas”, disse van Deurzen. “Podemos cultivar interfaces muito nítidas sem as impurezas e deslocamentos que se formam com outras técnicas de crescimento”, destacou o doutorando.

O segundo desafio foi criar uma cavidade óptica a partir das camadas empilhadas que pudesse ser usada para capturar a luz emitida e promover a emissão estimulada, necessária para o laser. A cavidade foi criada na forma de um pequeno ressonador em escala mícrométrica em um chip de nitreto de alumínio que van Deurzen conseguiu desenvolver com a ajuda da Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

“É um verdadeiro privilégio poder cultivar os materiais e produzir o chip em duas instalações de última geração localizadas no mesmo prédio”, disse Len van Deurzen.

Uma vez concluído, o laser foi capaz de atingir um ganho de pico em um comprimento de onda de 284 nanômetros e larguras de linha modais da ordem de 0,1 nanômetros. A largura de linha é uma ordem de magnitude mais precisa do que dispositivos semelhantes e demonstra a aplicabilidade do método de crescimento para emissores de luz ultravioleta aprimorados.

O laser ultravioleta profundo de Cornell é bombeado opticamente, o que significa que produz certos requisitos para o laser inserindo fótons no dispositivo. O próximo passo da pesquisa, de acordo com o Dr. Debdeep Jena, é usar a mesma plataforma de materiais para realizar um laser que é acionado por uma corrente elétrica de uma bateria – uma fonte de energia mais prática para dispositivos emissores de luz comercialmente disponíveis.

“Os lasers ultravioleta profundos são indiscutivelmente a fronteira final em materiais e dispositivos semicondutores com imensas qualidades de longo prazo. No entanto, é também o tipo de problema em que um jovem estudante de pós-graduação pode entrar e [cuja solução] pode causar um impacto imediato”, concluiu o Dr. Jena.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Cornell (em inglês).

Fonte: Syl Kacapyr, Escola de Engenharia da Universidade Cornell. Imagem: Doutorando Len van Deurzen trabalha com uma configuração de laboratório usada para operar um dispositivo emissor de laser ultravioleta profundo. Fonte: Divulgação, Universidade Cornell.

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