No antilaser, ondas de luz que entram são capturadas numa cavidade onde se movem para a frente e para trás, até serem completamente absorvidas. A energia resultante se dissipa em forma de calor.
Mais de 50 anos após a descoberta do laser, cientistas da Universidade de Yale fizeram o primeiro antilaser do mundo, no qual raios de luz que entram interferem uns nos outros de maneira que se cancelam mutuamente (na física, não é novidade que picos e vales, quando se encontram, causam esse efeito de anulação). A descoberta poderá ser o caminho para uma variedade de novas tecnologias, com aplicações em tudo, da computação óptica à radiologia.
Os lasers convencionais, inventados em 1960, usam um chamado "ganho médio," geralmente um semicondutor como arsenieto de gálio para produzir um raio focalizado de ondas de luz coerentes com a mesma frequência e amplitude em compasso uma com a outra.
No verão passado do hemisfério norte o físico de Yale A. Douglas Stone e sua equipe publicaram um estudo explicando a teoria por trás de um antilaser, demonstrando que tal dispositivo deveria ser feito com o uso de silício, o material semicondutor mais comum. Mas somente agora, após a união de forças com o grupo experimental de seu colega Hui Cao, que a equipe de fato construiu um antilaser funcional, que eles chamam de Absorvente Coerente Perfeito (CPA).
A equipe, cujos resultados estão na edição de 18 de fevereiro da revista Science, focalizaram dois raios laser com uma frequência específica em uma cavidade contendo um "wafer" de silício que atuou como uma "perda média." O wafer alinhou as ondas de luz de uma maneira que elas se tornaram perfeitamente aprisionadas, indo para a frente e para trás indefinidamente até que elas finalmente foram absorvidas e transformadas em calor.
Stone acredita que os CPAs poderiam ser um dia usados como dispositivos interruptores ópticos, detectores e outros componentes da próxima geração de computadores, chamados computadores ópticos, que serão movidos por luz e elétrons. Outra aplicação seria na radiologia, onde Stone disse que o princípio do CPA poderia ser empregado para conduzir radiação eletromagnética a uma pequena região dentro do normalmente opaco tecido humano, tanto para propósitos terapêuticos como para imagens.
Teoricamente, o CPA deverá ter a capacidade de absorver 99,999 % da luz que entra. Devido a limitações experimentais, o atual CPA da equipe absorve 99,4 %. "Mas o CPA que fizemos é apenas uma prova do conceito," disse Stone. "Estou confiante em que nós iremos começar a nos aproximar do limite teórico à medida em que construímos CPAs mais sofisticados." Similarmente, o primeiro CPA da equipe tem cerca de um centímetro de diâmetro atualmente, mas Stone disse que as simulações em computador mostraram como fazer um tão pequeno quanto seis microns (cerca de um vigésimo da espessura do cabelo humano médio).
A equipe que fez o CPA, liderada por Cao e outro físico de Yale, Wenjie Wan, demonstrou o efeito para a radição próxima ao infravermelho, que é ligeiramente "mais vermelha" do que o olho consegue ver, e que é a frequência da luz que o dispositivo absorve naturalmente quando o silício comum é usado. Mas a equipe espera que, com algum ajuste da cavidade e perda média em versões futuras, a CPA poderá absorver luz visível, bem como as frequências de infravermelho específicas usadas nas comunicações por fibra óptica.
Foi enquanto explicava a complexa física por trás dos lasers a um professor visitante que Stone teve pela primeira vez a ideia de um antilaser. Quando Stone sugeriu a seu colega pensar a respeito de um laser operando em ordem inversa, a fim de ajudá-lo a compreender como um laser convencional funciona Stone começou a imaginar se seria possível realmente fazer um laser que operaria para trás, absorvendo luz em frequências específicas, em vez de emiti-la.
"Tudo começou como uma experiência útil em pensamento, e me peguei imaginando se realmente poderia fazer aquilo," disse Stone. "Após algumas pesquisas, nós descobrimos que vários físicos haviam dados pistas do conceito em livros e artigos científicos, mas nenhum deles chegou a desenvolver a ideia."
More than 50 years after the invention of the laser, scientists at Yale University have built the world's first anti-laser, in which incoming beams of light interfere with one another in such a way as to perfectly cancel each other out. The discovery could pave the way for a number of novel technologies with applications in everything from optical computing to radiology.
Conventional lasers, which were first invented in 1960, use a so-called "gain medium," usually a semiconductor like gallium arsenide, to produce a focused beam of coherent light-light waves with the same frequency and amplitude that are in step with one another.
Last summer, Yale physicist A. Douglas Stone and his team published a study explaining the theory behind an anti-laser, demonstrating that such a device could be built using silicon, the most common semiconductor material. But it wasn't until now, after joining forces with the experimental group of his colleague Hui Cao, that the team actually built a functioning anti-laser, which they call a coherent perfect absorber (CPA).
The team, whose results appear in the February 18 issue of the journal Science, focused two laser beams with a specific frequency into a cavity containing a silicon wafer that acted as a "loss medium." The wafer aligned the light waves in such a way that they became perfectly trapped, bouncing back and forth indefinitely until they were eventually absorbed and transformed into heat.
Stone believes that CPAs could one day be used as optical switches, detectors and other components in the next generation of computers, called optical computers, which will be powered by light in addition to electrons. Another application might be in radiology, where Stone said the principle of the CPA could be employed to target electromagnetic radiation to a small region within normally opaque human tissue, either for therapeutic or imaging purposes.
Theoretically, the CPA should be able to absorb 99.999 percent of the incoming light. Due to experimental limitations, the team's current CPA absorbs 99.4 percent. "But the CPA we built is just a proof of concept," Stone said. "I'm confident we will start to approach the theoretical limit as we build more sophisticated CPAs." Similarly, the team's first CPA is about one centimeter across at the moment, but Stone said that computer simulations have shown how to build one as small as six microns (about one-twentieth the width of an average human hair).
The team that built the CPA, led by Cao and another Yale physicist, Wenjie Wan, demonstrated the effect for near-infrared radiation, which is slightly "redder" than the eye can see and which is the frequency of light that the device naturally absorbs when ordinary silicon is used. But the team expects that, with some tinkering of the cavity and loss medium in future versions, the CPA will be able to absorb visible light as well as the specific infrared frequencies used in fiber optic communications.
It was while explaining the complex physics behind lasers to a visiting professor that Stone first came up with the idea of an anti-laser. When Stone suggested his colleague think about a laser working in reverse in order to help him understand how a conventional laser works, Stone began contemplating whether it was possible to actually build a laser that would work backwards, absorbing light at specific frequencies rather than emitting it.
"It went from being a useful thought experiment to having me wondering whether you could really do that," Stone said. "After some research, we found that several physicists had hinted at the concept in books and scientific papers, but no one had ever developed the idea."
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