Investigadores criam laser de bolso ultrarrápido que permitirá detetar gases perigosos no ar

Uma equipa internacional de investigadores criou um chip de laser compacto que emite um tipo especial de pulsos ultrarrápidos, os solitões (na gama dos picossegundos de duração, ou um milésimo de nanossegundo), capaz de gerar mil milhões destes pulsos por segundo, foi divulgado em comunicado.

Segundo a mesma fonte, o trabalho demonstra que, contrariamente à ideia de que os solitões só poderiam ser produzidos em sistemas mais complexos e de dimensões de uma mesa, dois lasers em miniatura integrados num único chip – um como fonte de luz e o outro como anel de ressonância onde os pulsos se formam – são suficientes para criar solitões estáveis na região média do infravermelho, sem necessidade de mecanismos externos de compressão ou estabilização, e com um consumo de energia extremamente reduzido.

Esta zona do infravermelho é particularmente valiosa porque funciona como uma espécie de “impressão digital” para muitas moléculas: ao iluminarmos uma substância com esta luz invisível, conseguimos identificar de forma precisa os seus componentes — tal como um scanner de supermercado reconhece produtos pelo código de barras. Esta tecnologia abre portas para sensores que detetam gases perigosos no ar ou monitorizam a composição química de materiais com grande sensibilidade e precisão.

Os solitões são pulsos de luz peculiares que mantêm o seu formato ao longo do tempo e distância, mantendo-se resistente a perturbações. São particularmente promissores devido às suas aplicações em transmissão ultrarrápida de dados e em espectroscopia (o estudo da absorção e emissão de radiação pela matéria), com impactos diretos em tecnologias como sensores para deteção de gases perigosos ou comunicações óticas ultrarrápidas.

A ideia surgiu a Marco Piccardo, um dos criadores do projeto e terceiro autor do artigo, no início de 2020, após uma conversa com o físico Luigi Lugiato, muito conhecido pela celebrada equação de Lugiato-Lefever. “Não esperávamos um trajeto tão claro para a criação de solitões brilhantes, muito menos num dispositivo tão prático e integrado”, acrescenta o professor do Instituto Superior Técnico, também docente convidado da Universidade de Harvard.

Esta criação valeu à equipa que o desenvolveu um artigo publicado na revista científica Nature. Entre os membros responsáveis pela descoberta está Marco Piccardo, professor do Instituto Superior Técnico e investigador no Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores – Microssistemas e Nanotecnologias (INESC MN).

Não é a primeira vez que o trabalho da equipa que Marco Piccardo integra surge na Nature.
Em 2020 publicou um primeiro artigo como primeiro autor em que se mostrava os laseres em forma de anéis. Em janeiro de 2024, a mesma equipa de investigação demonstrou um laser semicondutor compacto em forma de anel, capaz de produzir ondas solitárias conhecidas como solitões escuros (estes podem ser imaginados como flashes de escuridão que se propagam através de um fluxo constante e contínuo de luz – como uma “sombra pulsante”).

Apesar de serem intrigantes do ponto de vista fundamental, os solitões escuros têm aplicações práticas limitadas, uma vez que a maioria das aplicações tecnológicas prefere solitões brilhantes—pulsos de luz intensa que viajam sobre um fundo luminoso constante.

Desta vez, e para ultrapassar este desafio, a mais recente descoberta da equipa envolve a integração de um laser auxiliar adicional no anel. Esta fonte laser externa permite iniciar e controlar a formação de solitões brilhantes, estes sim com mais aplicações, numa plataforma compacta integrada num chip.

Ao fim de anos de estudos teóricos e experimentais que abarcaram investigadores de Harvard, da austríaca TU Wien e de colegas em Itália, os resultados dispositivos que poderão no futuro ser integrados em sensores químicos portáteis, sistemas de medição de alta precisão ou redes de comunicações óticas a velocidades sem precedentes.