Engenheiros abrem caminho para o próximo

O estudante de doutorado Len van Deurzen trabalha com uma configuração de laboratório usada para operar um dispositivo emissor de laser ultravioleta profundo.

Os engenheiros da Cornell criaram um laser ultravioleta profundo usando materiais semicondutores que mostram uma grande promessa de melhorar o uso de luz ultravioleta para esterilizar ferramentas médicas, purificar água, detectar gases perigosos e permitir 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 a 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 em 11 de março na revista AIP Advances detalha como os cientistas da Cornell produziram um dispositivo à base de nitreto de gálio e alumínio capaz de emitir um laser ultravioleta profundo em comprimentos de onda e larguras de linha modais.

"Sabe-se que este é um material adequado, mas era um problema de síntese de materiais", disse Len van Deurzen, estudante de doutorado em física aplicada e de 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 van Deurzen aceitou durante a pandemia do 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 van Deurzen, “e a pandemia realmente ampliou a necessidade de dispositivos ultravioleta aprimorados”.

Sob a orientação dos autores seniores do artigo, Debdeep Jena e Huili Grace Xing, ambos professores de ciência e engenharia de materiais e de engenharia elétrica e de computação, a equipe usou epitaxia de feixe molecular, uma técnica de crescimento de cristal, para cultivar um cristal de alta qualidade de nitreto de alumínio.

"Precisamos de várias camadas de nitreto de gálio e 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”.

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 de microescala 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 van Deurzen, referindo-se a Duffield Hall. "Você apenas vai do terceiro andar para o porão."

Depois de concluído, o laser foi capaz de atingir o 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 grandeza mais precisa do que dispositivos similares e demonstra a aplicabilidade do método de crescimento para emissores de luz ultravioleta aprimorados.

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

"Os lasers de ultravioleta profundo são indiscutivelmente a fronteira final em materiais semicondutores e dispositivos com imensos retornos a longo prazo", disse Jena, professor de engenharia David E. Burr e membro do corpo docente do Sesquicentenário Richard E. Lunquist. "No entanto, também é o tipo de problema que um jovem estudante de pós-graduação pode enfrentar e causar um impacto imediato."