Bolhas de sabão se transformam em lasers – Physics World

O sabão é há muito um produto básico doméstico, mas cientistas na Eslovénia descobriram agora uma nova utilização para ele, transformando bolhas de sabão em minúsculos lasers. Trabalhando no Instituto Jožef Stefan e na Universidade de Ljubljana, eles começaram criando bolhas de sabão com alguns milímetros de diâmetro. Quando eles os misturaram com um corante fluorescente e os bombearam com um laser pulsado, as bolhas começaram a formar laser. Os comprimentos de onda da luz que a bolha emite respondem altamente ao seu tamanho, abrindo caminho para sensores de laser de bolha que podem detectar pequenas mudanças na pressão ou no campo elétrico ambiente.

Um laser requer três componentes principais: um meio de ganho, uma fonte de energia para o meio de ganho e um ressonador óptico. O meio de ganho amplifica a luz, o que significa que para cada fóton que entra no meio de ganho, sai mais de um fóton. Este fenómeno pode ser explorado colocando o meio de ganho num ressonador – por exemplo, entre dois espelhos ou dentro de um loop – de modo que os fotões emitidos pelo meio de ganho voltem através dele para criar um feixe de luz amplificado e coerente.

Os lasers de bolhas de sabão fazem exatamente isso. Fazê-los, Matjaž Humar e Zala Korenjak misturaram solução de sabão padrão com corante fluorescente, que atua como meio de ganho. As bolhas se formam na extremidade de um tubo capilar e, ao iluminá-las com um laser pulsado, o meio de ganho é bombeado. A luz produzida pelo meio de ganho circula ao longo da superfície da bolha, que atua como um ressonador.

Para caracterizar a saída da bolha, os pesquisadores usaram um espectrômetro para medir os comprimentos de onda da luz que ela produz. Somente depois que o sistema atinge um limite de bombeamento de energia é que os pesquisadores veem picos no espectro de comprimento de onda da bolha – um marcador chave do laser.

Da Catedral de São Paulo à superfície de uma bolha de sabão

Formar um ressonador a partir de uma esfera não é, em si, novidade. Microcavidades formadas em esferas, anéis e toróides encontraram uso na detecção e são conhecidas como ressonadores do modo galeria sussurrante, em homenagem à famosa galeria sussurrante da Catedral de São Paulo, em Londres. Dentro desta grande sala circular, duas pessoas que ficam de frente para a parede em lados opostos podem ouvir-se até mesmo num sussurro, graças à orientação eficiente das ondas sonoras ao longo das paredes curvas da sala.

Da mesma forma, Humar e Korenjak descobriram que a luz se propaga ao longo da superfície da bolha de sabão no seu laser e aparece como uma faixa brilhante na casca da bolha. À medida que a luz viaja pela superfície da bolha, ela interfere, criando “modos” distintos do ressonador. Esses modos aparecem como uma série de picos regularmente espaçados no espectro de comprimento de onda da bolha.

Não estoure minha bolha

“Existem muitos microrressonadores usados ​​como cavidades de laser, incluindo conchas esféricas sólidas”, observa Matjaž. “As bolhas de sabão, no entanto, não foram estudadas como cavidades ópticas até agora.”

Isso pode ocorrer em parte porque os lasers de bolhas feitos de sabão têm praticidade limitada. À medida que a água evapora da superfície da bolha, a espessura da bolha muda rapidamente até estourar.

Uma solução mais prática que os pesquisadores buscaram é fazer bolhas a partir de cristais líquidos esméticos. Eles não contêm água e podem formar bolhas muito finas, normalmente com cerca de 30-120 nanômetros (nm) de espessura. Esses lasers de bolhas esméticas são mais estáveis ​​e podem sobreviver quase indefinidamente. Como explica Matjaž, bolhas mais espessas (como as criadas pelo sabão) permitem muitos modos no ressonador, resultando em muitos picos possivelmente sobrepostos no espectro de comprimento de onda. Bolhas mais finas (menos de 200 nm), entretanto, permitem apenas um modo no ressonador. Esta operação monomodo se manifesta como picos distribuídos uniformemente nos espectros de laser.

Os pesquisadores demonstraram que o comprimento de onda emitido pelos lasers de bolha poderia ser ajustado alterando seu ambiente. Especificamente, a alteração das pressões ambientais ou dos campos elétricos alterou o tamanho da bolha, o que altera o tamanho do ressonador e, por sua vez, o comprimento de onda da emissão do laser. As medições apresentadas mostram que os lasers de bolhas esméticas são sensíveis a campos elétricos tão pequenos quanto 0.35 V/mm e mudanças de pressão de 0.024 Pa – no mesmo nível ou melhor do que alguns sensores existentes.

A dupla descreve seu trabalho em Revisão física X.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/