Imagine janelas que podem facilmente se transformar em espelhos ou computadores de alta velocidade que funcionam não com elanãtrons, mas com luz. Essas são apenas algumas das aplicações potenciais que podem surgir da engenharia a³ptica, a prática de usar lasers para alterar rápida e temporariamente as propriedades dos materiais.

"Essas ferramentas podem permitir que vocêtransforme as propriedades eletra´nicas dos materiais com o toque de um interruptor de luz", diz o professor de física da Caltech, David Hsieh . "Mas as tecnologias tem sido limitadas pelo problema dos lasers criarem muito calor nos materiais."

Em um novo estudo na Nature , Hsieh e sua equipe, incluindo o autor principal e estudante de graduação Junyi Shan, relatam sucesso no uso de lasers para esculpir dramaticamente as propriedades dos materiais sem a produção de qualquer excesso de calor prejudicial.

"Os lasers necessa¡rios para esses experimentos são muito poderosos, por isso édifa­cil não aquecer e danificar os materiais", diz Shan. "Por um lado, queremos que o material seja submetido a uma luz laser muito intensa. Por outro lado, não queremos que o material absorva nenhuma dessa luz."

A equipe encontrou um "ponto ideal" para contornar isso, diz Shan, onde a frequência do laser éajustada de forma a alterar marcadamente as propriedades do material sem transmitir qualquer calor indesejado.

Os cientistas também dizem que encontraram um material ideal para demonstrar esse manãtodo. O material, um semicondutor chamado trissulfeto de fa³sforo de manganaªs, absorve naturalmente apenas uma pequena quantidade de luz em uma ampla faixa de frequências infravermelhas. Para seus experimentos, Hsieh, Shan e colegas usaram intensos pulsos de laser infravermelho, cada um durando cerca de 10-13 segundos, para mudar rapidamente a energia dos elanãtrons dentro do material. Como resultado, o material mudou de um estado altamente opaco para um altamente transparente para certas cores de luz.

Ainda mais cra­tico, dizem os pesquisadores, éque o processo éreversa­vel. Quando o laser édesligado, o material volta instantaneamente ao seu estado original completamente ileso. Isso não seria possí­vel se o material tivesse absorvido a luz do laser e aquecido, pois demoraria muito para o material dissipar o calor. A manipulação sem calor usada no novo processo éconhecida como "engenharia a³ptica coerente".

O manãtodo funciona porque a luz altera as diferenças entre os na­veis de energia dos elanãtrons no semicondutor (chamados de band gaps) sem colocar os pra³prios elanãtrons em diferentes na­veis de energia, que éo que gera calor.

“a‰ como se vocêtivesse um barco, e então uma grande onda vem e balana§a o barco vigorosamente para cima e para baixo sem causar a queda de nenhum dos passageiros”, explica Hsieh. "Nosso laser estãobalana§ando vigorosamente os na­veis de energia do material, e isso altera as propriedades dos materiais, mas os elanãtrons permanecem parados."

Os pesquisadores já teorizaram como esse manãtodo funcionaria. Por exemplo, na década de 1960, o ex-aluno do Caltech Jon H. Shirley (PhD '63), apresentou ideias matemáticas sobre como resolver os na­veis de energia do elanãtron em um material na presença de luz. Com base neste trabalho, a equipe Caltech de Hsieh colaborou com os teóricos Mengxing Ye e Leon Balents da UC Santa Barbara para calcular os efeitos esperados da iluminação a laser no trissulfeto de fa³sforo de manganaªs. A teoria combinou os experimentos com uma precisão "nota¡vel", diz Hsieh.

As descobertas, diz Hsieh, significam que outros pesquisadores agora podem usar a luz para criar materiais artificialmente, como a­ma£s qua¢nticos exa³ticos, que de outra forma seriam difa­ceis ou mesmo impossa­veis de criar naturalmente.

"Em princa­pio, esse manãtodo pode alterar as propriedades a³pticas, magnanãticas e muitas outras propriedades dos materiais", diz Shan. "Esta éuma maneira alternativa de fazer ciência dos materiais. Em vez de fazer novos materiais para realizar propriedades diferentes, podemos pegar apenas um material e, em última análise, dar a ele uma ampla gama de propriedades aºteis."

O estudo, intitulado "Modulação gigante de não linearidade a³ptica pela engenharia Floquet", foi financiado pelo Gabinete de Pesquisa do Exanãrcito; a Fundação David e Lucile Packard; a National Science Foundation por meio do Institute for Quantum Information and Matter em Caltech e por meio da UC Santa Barbara; a Fundação Gordon e Betty Moore; e a Fundação Nacional de Pesquisa da Coranãia. Outros autores incluem Hao Chu (PhD '17), bem como Sungmin Lee e Je-Geun Park da Universidade Nacional de Seul.