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Os pesquisadores da ETH desenvolveram um espectrômetro infravermelho compacto. É pequeno o suficiente para caber em um chip de computador, mas ainda pode abrir possibilidades interessantes – no espaço e na vida cotidiana.
Cortesia da ETH por Felix Würsten: Atualmente, um telefone celular pode fazer quase tudo: tirar fotos ou gravar vídeos, enviar mensagens, determinar sua localização atual e, é claro, transmitir conversas telefônicas. Com esses dispositivos versáteis, pode até ser possível determinar o teor de álcool de uma cerveja ou a maturidade de uma fruta, usando o espectrômetro de infravermelho.
À primeira vista, a idéia de usar telefones celulares para análises químicas parece ousada. Afinal, os espectrômetros de infravermelho usados hoje em dia para tais análises geralmente pesam vários quilos e são difíceis de integrar em um dispositivo portátil. Agora, os pesquisadores da ETH Zurich deram um passo importante no sentido de transformar essa visão em realidade. David Pohl e Marc Reig Escalé, no grupo liderado por Rachel Grange, professora de nanomateriais ópticos do Departamento de Física, colaboraram com outros colegas para desenvolver um chip de cerca de 2 centímetros quadrados. Com ele, eles podem analisar a luz infravermelha da mesma maneira que fariam com um espectrômetro convencional.
Guias de onda em vez de espelhos
Um espectrômetro convencional divide a luz incidente em dois caminhos antes de refleti-la em dois espelhos. Os feixes de luz refletidos são recombinados e medidos com um fotodetector. Mover um dos espelhos cria um padrão de interferência, que pode ser usado para determinar a proporção de diferentes comprimentos de onda no sinal recebido. Como as substâncias químicas criam lacunas características no espectro infravermelho, os cientistas podem usar os padrões resultantes para identificar quais substâncias ocorrem na amostra de teste e em que concentração.
Esse mesmo princípio está por trás do mini-espectrômetro desenvolvido pelos pesquisadores da ETH. No entanto, no dispositivo deles, a luz incidente não é mais analisada com a ajuda de espelhos móveis; em vez disso, utiliza guias de onda especiais com um índice de refração óptico que pode ser ajustado externamente através de um campo elétrico. “A variação do índice de refração tem um efeito semelhante ao que acontece quando movemos os espelhos”, explica Pohl, “então essa configuração nos permite dispersar o espectro da luz incidente da mesma maneira”.
Um processo de estruturação desafiador
Dependendo de como o guia de ondas está configurado, os pesquisadores podem examinar diferentes partes do espectro da luz. “Em teoria, nosso espectrômetro permite medir não apenas a luz infravermelha, mas também a luz visível, desde que o guia de ondas esteja configurado adequadamente”, diz Escalé. Em contraste com outros espectrômetros integrados que podem cobrir apenas uma faixa estreita do espectro de luz, o dispositivo desenvolvido pelo grupo de Grange tem uma grande vantagem em poder analisar facilmente uma seção ampla do espectro.
Além do tamanho compacto, a inovação dos físicos da ETH oferece duas outras vantagens: o “espectrômetro em um chip” deve ser calibrado apenas uma vez, em comparação com dispositivos convencionais que precisam ser recalibrados repetidamente; e por não conter partes móveis, requer menos manutenção.
Para o espectrômetro, os pesquisadores da ETH empregaram um material que também é usado como modulador na indústria de telecomunicações. Este material tem muitas propriedades positivas, mas, como guia de ondas, restringe a luz ao interior. Isso é menos do que o ideal, pois a medição é possível apenas se alguma luz guiada puder sair. Por esse motivo, os cientistas anexaram estruturas metálicas delicadas aos guias de ondas que espalham a luz para a parte externa do dispositivo. “Exigiu muito trabalho na sala limpa até que pudéssemos estruturar o material da maneira que queríamos”, explica Grange.
Perfeito para o espaço
Até que o mini-espectrômetro atual possa realmente ser integrado a um dispositivo móvel ou outro dispositivo eletrônico, no entanto, ainda há algum progresso tecnológico a ser feito. “No momento, estamos medindo o sinal com uma câmera externa”, diz Grange, “portanto, se queremos ter um dispositivo compacto, precisamos integrá-lo também”.
Originalmente, os físicos buscavam, não análises químicas, mas uma aplicação completamente diferente: em astronomia, os espectrômetros infravermelhos fornecem informações valiosas sobre objetos celestes distantes. Como a atmosfera da Terra absorve uma grande quantidade de luz infravermelha, seria ideal posicionar esses instrumentos em satélites ou telescópios no espaço. Um dispositivo de medição compacto, leve e estável, que possa ser lançado no espaço de forma relativamente barata, naturalmente ofereceria um benefício substancial.
Referência: Pohl D et.al .: Um espectrômetro de banda larga integrado em niobato de lítio de película fina. Nature Photonics, 8 de outubro de 2019. DOI: 10.1038 / s41566-019-0529-9
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