Em uma escala microscópica, pequenos emissores de luz podem criar condições para tecnologias que combinam física e materiais avançados, abrindo caminho para futuras aplicações em computação fotônica e aprendizagem de máquina. É nesse universo que se insere o trabalho “Electrically reconfigurable extended lasing state in an organic liquid-crystal microcavity”, publicado recentemente na revista Nature Communications.
O artigo contou com a colaboração do brasileiro Luciano Siliano Ricco, pesquisador associado da Universidade de Varsóvia e doutor em Ciência dos Materiais pela Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Ilha Solteira. Desenvolvido a partir de uma colaboração internacional envolvendo instituições da Polônia, Reino Unido, França e Islândia, dentro de um consórcio da União Europeia, o trabalho demonstra uma nova forma de controlar a interação entre estados luminosos com emissão tipo laser em uma microcavidade orgânica de cristal líquido.
Os pesquisadores dividiram o estudo em etapas que incluíram o desenvolvimento dos materiais e preparação das amostras, além dos experimentos e da modelagem teórica. Luciano Ricco contribuiu principalmente na construção do modelo teórico que explicou os resultados experimentais obtidos pela equipe da Universidade de Southampton, na Inglaterra.
Ao criar conjuntos pequenos, eficientes e reconfiguráveis de emissores de luz coerentes (isto é, capazes de produzir luz com uma relação de fase bem definida), esses sistemas podem ter aplicações em áreas como comunicação óptica, sensores e até em arquiteturas de aprendizado de máquina voltadas à inteligência artificial.
“Quando a gente fala de coerência, de uma forma bem geral, estamos falando de emissores de luz, como os lasers, em que a emissão acontece em fase. Então você tem ali as ondas eletromagnéticas em fase”, explica Ricco. Segundo ele, essa característica é fundamental porque permite criar dispositivos em que diferentes fontes luminosas (lasers) trabalham de maneira coordenada.
Como exemplo dessa tecnologia, ele cita os chamados VCSELs (Vertical-cavity-surface-emitting lasers), como são conhecidos os conjuntos de pequenas cavidades emissoras que já são usados em aplicações como reconhecimento facial em smartphones e impressoras 3D. “O que a comunidade que trabalha nessa interface entre óptica e eletrônica tem buscado são justamente dispositivos que permitam essa emissão síncrona de luz, sempre pensando em baixo custo e operação em temperatura ambiente”, afirma.
O trabalho publicado apresenta uma plataforma baseada em uma microcavidade preenchida com cristal líquido e emissores orgânicos. O diferencial está justamente na possibilidade de controlar eletricamente a forma como esses pequenos lasers interagem entre si. Em sistemas convencionais, o pesquisador brasileiro conta que essa interação costuma depender da distância fixa entre os emissores, definida durante a fabricação do dispositivo. Na nova abordagem, ele acrescenta, a mudança ocorre por meio da aplicação de uma voltagem.
“Quando você tem um cristal líquido, uma das propriedades dessas moléculas é a orientação delas. Essa orientação muda com o campo elétrico que você aplica, muda com a voltagem”, explica Ricco. “Mudando a voltagem, você basicamente muda a forma com que esses emissores se comunicam, isto é, interagem entre si.”
Essa capacidade de ajuste é uma das principais contribuições do estudo. Ricco explica que a interação entre pequenos emissores de luz já era conhecida em diferentes sistemas, mas a introdução do cristal líquido acrescenta uma possibilidade de reconfiguração dinâmica. Ou seja, em vez de fabricar uma nova estrutura para alterar o acoplamento entre os pontos emissores, agora é possível modificar esse comportamento usando um controle elétrico.
“Uma vez que você fabrica a amostra, normalmente a comunicação entre esses pontos emissores depende da distância. Então você teria que fabricar outra amostra se quisesse mudar essa interação. No nosso caso, devido à tunabilidade que as moléculas de cristal líquido têm, ao invés de ter que fabricar uma nova amostra, você consegue mudar o padrão de interferência, de destrutivo para construtivo, aplicando voltagem”, diz, referindo-se à capacidade de um sistema ser ajustado ou reconfigurado de forma controlada, mudando o acoplamento entre os modos de laser.
O fenômeno observado no trabalho envolve a formação de um estado laser estendido de emissão coerente, chamado pelos pesquisadores de “supermodo”. Isso acontece, de acordo com Ricco, quando diferentes estados de laser microscópicos passam a atuar de forma integrada, formando um único estado de laser mais amplo. “O mais importante aqui não é fazê-las se comunicarem, porque o fato desses pequenos lasers orgânicos se comunicarem já é bem estabelecido na literatura. A nossa principal contribuição foi combinar isso com o cristal líquido”, pontua Ricco.
Outro avanço importante está relacionado às condições de operação. Como explica o pesquisador, muitos sistemas capazes de controlar estados luminosos acoplados utilizam materiais semicondutores que precisam trabalhar em temperaturas extremamente baixas. Isso ocorre principalmente em plataformas baseadas em polaritons, nome dado a partículas híbridas formadas pela interação entre luz e matéria.
“Nesses outros dispositivos você precisa atingir temperaturas criogênicas, e isso obviamente aumenta o custo se você pensar em termos de aplicação”, explica. “No nosso caso, tanto as moléculas de cristal líquido quanto as moléculas emissoras na nossa amostra operam em temperatura ambiente.”
Essa característica amplia o potencial tecnológico da plataforma. Embora ainda exista um caminho longo até aplicações comerciais, sistemas desse tipo podem contribuir para o desenvolvimento de novas estruturas computacionais, especialmente em áreas como inteligência artificial baseada em dispositivos ópticos.
Atualmente, grande parte da infraestrutura computacional usada para inteligência artificial depende de componentes eletrônicos tradicionais. Esses sistemas enfrentam limitações relacionadas ao consumo energético e à transferência de dados entre memória e processamento, um problema conhecido como gargalo de Von Neumann. Uma das alternativas estudadas pela comunidade científica é substituir parte desses processos por sistemas baseados em luz.
“Na comunidade de óptica, muito tem se falado em substituir esses dispositivos basicamente eletrônicos por processadores puramente ópticos. Você aproveitaria, por exemplo, o fato do fóton viajar na velocidade da luz”, comenta Ricco.
A relação com redes neurais artificiais aparece porque os emissores de luz coerente podem funcionar como elementos análogos aos neurônios de uma rede artificial. Nesses modelos, o aprendizado depende, entre outros fatores, das conexões entre os elementos do sistema. No caso dos dispositivos ópticos, a possibilidade de ajustar a interação entre os emissores poderia representar uma forma física de modificar essas conexões.
“Você tem cada ponto de luz representando um neurônio dessas redes neurais e a conexão entre eles. No processo de machine learning, o que você está mudando é a forma como esses neurônios artificiais se conectam”, explica.
O pesquisador ressalta, porém, que aplicações práticas ainda devem levar tempo. “Quando a gente fala de aplicação, existe um longo caminho para chegar lá. A ciência anda a passos lentos, então tem muito chão até lá, mas também é bom, pois tem muito trabalho pela frente”, vislumbra.
Sobre a colaboração internacional entre diferentes instituições europeias que resultou no estudo, Ricco sublinha que ela reforça uma característica essencial da ciência contemporânea: a interação entre diferentes áreas e especialidades. “É sempre muito bom participar de um projeto grande, porque você vê o quanto é importante a ciência ser um empreendimento coletivo”, afirma.
Essa visão também aparece na mensagem que Ricco deixa para estudantes e pesquisadores em formação. Segundo ele, a interação entre teoria e experimento é fundamental para o avanço científico. “Se eu pudesse deixar uma mensagem para os estudantes que gostam muito de teoria, ela seria: estudem muitos experimentais que trabalham na área. A riqueza de feedback que a gente tem é muito grande”, aconselha.
Aos pesquisadores experimentais, ele faz uma recomendação semelhante. “Conversem com os teóricos. Quando você tem a oportunidade de trabalhar lado a lado, o trabalho flui muito melhor. Às vezes um problema que você levaria semanas para entender pode ser resolvido de forma muito mais eficiente”, conclui.
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Por Leandro Haberli
