O calor produzido quando determinados materiais são estimulados pela luz pode fazer muito mais do que elevar sua temperatura. Ele também pode interferir na dinâmica interna do próprio material, alterar sua resposta óptica e desencadear comportamentos que só aparecem acima de determinado nível de excitação. É o que demonstra um estudo de pesquisadores da Universidade Federal de Alagoas (Ufal) que foi publicado na revista científica internacional Journal of Luminescence, da editora Elsevier.

A pesquisa investiga materiais dopados com íons terras raras, elementos utilizados em diferentes sistemas fotônicos por apresentarem propriedades ópticas particulares. Esses materiais estão presentes em estudos relacionados a lasers, sensores ópticos, termometria, bioimagem e outros dispositivos capazes de gerar, detectar ou controlar a luz.

Quando o material absorve a luz do laser, parte dessa energia excita os íons do material. Depois de um curto intervalo de tempo, esses íons retornam a estados de menor energia e podem liberar parte da energia absorvida na forma de luz. Outra parte é convertida em calor por processos de relaxação não radiativa. Esse aquecimento costuma ser tratado como uma consequência secundária da excitação. O trabalho realizado por pesquisadores da Ufal mostra que, em determinadas condições, a temperatura passa a atuar como uma variável dinâmica e interfere continuamente nos processos de emissão e dissipação de energia.

Para compreender essa interação, os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico que acopla a evolução das populações eletrônicas à variação da temperatura. O modelo considera, de forma integrada, a excitação óptica, a geração e a dissipação de calor e as formas radiativas e não radiativas por onde o sistema retorna a estados de menor energia.

O mecanismo funciona como um ciclo de realimentação. O aumento da temperatura favorece a relaxação não radiativa, reduz a eficiência com que a energia é convertida em luz e aumenta a parcela transformada em calor. Esse calor adicional eleva novamente a temperatura e reforça o processo. É essa interação contínua que os autores chamam de feedback termo-óptico intrínseco.

De acordo com Rodrigo Ferreira da Silva, um dos autores, o estudo muda a maneira de interpretar o papel do aquecimento nesses sistemas. “O resultado é interessante porque mostra que a temperatura não deve ser vista apenas como uma consequência do bombeamento óptico, mas como uma variável ativa capaz de modificar a resposta do sistema”, destaca.

As simulações indicam que esse feedback pode produzir um limiar de potência de excitação e modificar de maneira acentuada o tempo necessário para o sistema responder. Próximo ao limiar, a dinâmica pode ficar mais lenta. Em outras condições, podem ocorrer uma ultrapassagem temporária da população eletrônica em relação ao seu valor de equilíbrio e uma aceleração da relaxação acima do limiar. Assim, o tempo de resposta não varia de maneira simples ou uniforme com o aumento da potência.

Um dos pontos centrais do trabalho é mostrar que esses comportamentos semelhantes a transições de limiar podem surgir apenas do acoplamento entre a temperatura e a dinâmica eletrônica, sem depender necessariamente dos mecanismos tradicionalmente associados à chamada avalanche de fótons. A proposta oferece uma explicação complementar para fenômenos não lineares observados em materiais luminescentes submetidos a excitação intensa.

Os resultados das pesquisas foram publicados no artigo Intrinsic thermo-optical feedback as a fundamental nonlinear interaction in rare-earth-doped systems, que tem autoria dos estudantes de doutorado da Ufal Rodrigo da Silva, Daniel Luz, Célio Maciel e Gabriela Soares, além dos professores José A. dos Santos (Ufal Arapiraca), Emanuel Santos (Uneal), e os professores do IF Ufal, Carlos Jacinto e André Moura. O artigo ressalta que o modelo apresentado busca isolar os elementos físicos fundamentais do fenômeno em materiais fotônicos e poderá ser ampliado em pesquisas futuras para sistemas mais complexos.

Infraestrutura para pesquisas reconhecidas

A maior parte dos pesquisadores que realizaram o estudo integra o Grupo de Nano-fotônica e Fotônica, do Instituto de Física (IF) da Ufal. Os laboratórios contam com equipamentos modernos para caracterização óptica, como NanoLog e LabRAM, além de diferentes sistemas de laser, cobrindo escalas temporais de femtossegundos a nanossegundos e diferentes comprimentos de onda, inclusive com fontes sintonizáveis por oscilador paramétrico óptico. “Isso dá uma variedade muito grande de possibilidades para estudar a interação da luz com materiais”, comentou Rodrigo.

Além da infraestrutura, o grupo tem um histórico muito forte de participação dos alunos em premiações acadêmicas. Ao longo dos anos, são mais de 15 premiações e reconhecimentos de excelência acadêmica, incluindo trabalhos premiados em programas como o Pibic e em editais da Fapeal envolvendo publicação científica.