Laser a calor emite luz sem gastar eletricidade

Esquema de um laser de cascateamento quântico, que poderá ser alimentado por calor, funcionando sem eletricidade.[Imagem: Christoph Deutsch]

Laser quente

Um exemplo clássico de como uma pesquisa básica pode revolucionar o mundo, o laser, inventado há apenas 50 anos, é hoje uma tecnologia onipresente.

E poderá ser ainda mais importante, quando os engenheiros construírem um novo laser proposto pelaestudante Kathrin Sandner, da Universidade de Innsbruck, na Áustria.

Sandner estava tentando reduzir o aquecimento de um tipo especial de laser, chamado laser de cascateamento quântico, quando se deu conta de que o calor pode ser usado para gerar a emissão continuada de luz coerente.

Em termos mais simples, um laser alimentado por calor, que dispensa totalmente a eletricidade para gerar sua luz.

Laser de cascateamento quântico

Com toda a sua importância, os lasers atualmente cobrem apenas uma pequena faixa do espectro eletromagnético - nem todos os comprimentos de onda foram igualmente pesquisados até agora.

Por exemplo, na faixa do infravermelho distante e da radiação terahertz, a luz coerente é emitida por lasers de cascateamento quântico, que estão longe de serem eficientes porque aquecem demais - e, quando o calor é excessivo, a emissão do laser é interrompida.

Esses lasers são gerados por pilhas de várias camadas de materiais semicondutores, cada uma com espessura muito precisa e dopada com elementos diferentes.

"Os elétrons são transferidos através dessa estrutura em uma série específica de processos de tunelamento e saltos quânticos," explica o professor Helmut Ritsch, entusiasmado com a descoberta de sua aluna. "Entre essas camadas, os elétrons colidem com outras partículas, o que esquenta o laser.

Por essa razão, os lasers de cascateamento quântico só funcionam quando são fortemente resfriados.

Elétrons, fótons e fônons

Sandner acredita que não precisa ser assim. Na verdade, segundo ela, o aquecimento dos lasers de cascateamento quântico não apenas pode ser evitado, como o próprio calor pode ser usado para fazer o laser funcionar.

O truque consiste em "reverter" o aquecimento, o que pode ser feito alterando com precisão a espessura das diversas camadas de semicondutores.

"Uma parte crucial é separar espacialmente as áreas quentes e frias do laser," diz a pesquisadora.

"Nesse laser alimentado por gradiente de temperatura, os elétrons são termalmente excitados na área quente e então tunelam para a área fria, onde os fótons são emitidos," explica ela.

Ou seja, a energia do calor é absorvida - de uma fonte qualquer - e simultaneamente reemitida na forma da luz.

"Entre as emissões consecutivas de partículas de luz, um fônon é absorvido e o laser é resfriado. Quando levamos a ideia adiante, vimos que a presença dos fônons é suficiente para fornecer a energia para a amplificação laser," disse Sandner.

Resfriamento de chips

O professor Ritsch reconhece que será um desafio fabricar as diversas camadas com tanta precisão, mas será um esforço que valerá a pena.

Segundo ele, além de criar uma nova geração de lasers, alimentados por calor, o princípio poderá ser usado para resfriar processadores de computador.

"Além da elegância conceitual dessa ideia, abre-se uma forma completamente nova de usar o calor dos microchips de uma forma benéfica, em vez de precisar dissipá-lo por arrefecimento," propõe ele.