No que diz respeito aos lasers, aqueles feitos de titânio-safira (Ti:safira) são considerados como tendo desempenho “inigualável”. Eles são indispensáveis em muitos campos, incluindo óptica quântica de ponta, espectroscopia e neurociência. Mas esse desempenho tem um preço alto. Os lasers Ti:safira são grandes, na ordem de pés cúbicos em volume. Eles são caros, custando centenas de milhares de dólares cada. E eles exigem outros lasers de alta potência, eles próprios custando US$ 30.000 cada, para fornecer energia suficiente para funcionar.

Como resultado, os lasers Ti:sapphire nunca alcançaram a ampla adoção no mundo real que merecem – até agora. Em um salto dramático em escala, eficiência e custo, pesquisadores da Universidade de Stanford construíram um laser Ti:safira em um chip. O protótipo é quatro ordens de magnitude menor (10.000x) e três ordens mais barato (1.000x) do que qualquer laser Ti:safira já produzido.

“Este é um afastamento completo do modelo antigo”, disse Jelena Vukovi , professora Jensen Huang em Liderança Global, professora de engenharia elétrica e autora sênior do artigo que apresenta o laser Ti: safira em escala de chip publicado na revista Nature. “Em vez de um laser grande e caro, qualquer laboratório poderá em breve ter centenas desses valiosos lasers em um único chip. E você pode alimentar tudo isso com um apontador laser verde.”

"Quando você salta do tamanho de uma mesa de trabalho e torna algo produtivo em um chip a um custo tão baixo, isso coloca esses lasers poderosos ao alcance de muitas aplicações importantes diferentes", disse Joshua Yang, um candidato a doutorado no laboratório de Jelena  e coautor do estudo, juntamente com os colegas do Laboratório de Fotônica Quântica e Nanoescala de Vu?kovi? , o engenheiro de pesquisa Kasper Van Gasse e o acadêmico de pós-doutorado Daniil M. Lukin.

Em termos técnicos, os lasers Ti:safira são muito valiosos porque têm a maior “largura de banda de ganho” de qualquer cristal de laser, explicou Yang. Em termos simples, o ganho de largura de banda se traduz na gama mais ampla de cores que o laser pode produzir em comparação com outros lasers. Também é ultrarrápido, disse Yang. Pulsos de luz surgem a cada quatrilionésimo de segundo.

Mas lasers de Ti:safira também são difíceis de encontrar. Até mesmo o laboratório de Jelena , que faz experimentos de óptica quântica de ponta, tem apenas alguns desses lasers valiosos para compartilhar. O novo laser de Ti:safira cabe em um chip que é medido em milímetros quadrados. Se os pesquisadores puderem produzi-los em massa em wafers, potencialmente milhares, talvez dezenas de milhares de lasers de Ti:safira poderiam ser espremidos em um disco que cabe na palma da mão humana.

“Um chip é leve. É portátil. É barato e é eficiente. Não há peças móveis. E pode ser produzido em massa”, disse Yang. “O que há para não gostar? Isso democratiza os lasers Ti:safira.”

Para moldar o novo laser, os pesquisadores começaram com uma camada volumosa de titânio-safira sobre uma plataforma de dióxido de silício (SiO2), tudo sobre um verdadeiro cristal de safira. Eles então moem, gravam e lustram a safira Ti: até obter uma camada extremamente fina, com apenas algumas centenas de nanômetros de espessura. Nessa camada fina, eles formam um vórtice rodopiante de pequenas cristas. Essas cristas são como cabos de fibra óptica, guiando a luz ao redor e ao redor, aumentando a intensidade. Na verdade, o padrão é conhecido como guia de ondas.

“Matematicamente falando, intensidade é potência dividida por área. Então, se você mantiver a mesma potência do laser de larga escala, mas reduzir a área em que ele está concentrado, a intensidade vai às alturas”, diz Yang. “A pequena escala do nosso laser na verdade nos ajuda a torná-lo mais eficiente.”

A peça restante do quebra-cabeça é um aquecedor em microescala que aquece a luz que viaja através dos guias de onda, permitindo à equipe de Jelena alterar o comprimento de onda da luz emitida para ajustar a cor da luz em qualquer lugar entre 700 e 1.000 nanômetros – do vermelho ao infravermelho. 

Jelena , Yang e colegas estão muito entusiasmados com a gama de campos que tal laser pode impactar. Na física quântica, o novo laser fornece uma solução barata e prática que poderia reduzir drasticamente os computadores quânticos de última geração. Na neurociência, os pesquisadores podem prever aplicação imediata na optogenética, campo que permite aos cientistas controlar neurônios com luz guiada dentro do cérebro por fibra óptica relativamente volumosa. Lasers de pequena escala, dizem eles, podem ser integrados em sondas mais compactas, abrindo novos caminhos experimentais. Na oftalmologia, ele pode encontrar um novo uso com a amplificação de pulso chilreado ganhadora do Prêmio Nobel em cirurgia a laser ou oferecer tecnologias de tomografia de coerência óptica mais compactas e menos dispendiosas usadas para avaliar a saúde da retina.

Em seguida, a equipe está trabalhando no aperfeiçoamento de seu laser Ti:safira em escala de chip e em maneiras de produzi-los em massa, milhares de uma vez, em wafers. Yang ganhará seu doutorado neste verão com base nessa pesquisa e está trabalhando para levar a tecnologia ao mercado.

“Poderíamos colocar milhares de lasers em um único wafer de 4 polegadas”, diz Yang. “É aí que o custo por laser começa a ser quase zero. Isso é muito emocionante.”

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