Luz aprisionada mostra um novo quase universo de possibilidades

Com informações da Universidade de Varsóvia - 28/11/2019

Esquema do experimento - polarização circular da luz (marcada em vermelho e azul) transmitida através de uma cavidade preenchida com cristal líquido, dependendo da direção da propagação.
[Imagem: M. Krol/UW Physics]

Reduzindo as dimensões

Uma colaboração internacional de físicos criou um sistema bidimensional (2D) capaz de capturar fótons, criando uma espécie de "luz aprisionada".

O mundo ao nosso redor tem uma dimensão temporal e três dimensões espaciais. Os físicos que estudam a matéria condensada há muito tempo lidam com sistemas de menor dimensionalidade - poços quânticos bidimensionais (2D), nanofios unidimensionais (1D) e pontos quânticos zero-dimensionais (0D).

Os sistemas 2D foram os que encontraram as maiores aplicações técnicas - é graças às dimensões reduzidas que operam com eficiência os LEDs e diodos a laser, os transistores nos circuitos integrados e os amplificadores de rádio WiFi, por exemplo.

Ao se passar do 3D para o 2D, torna-se possível tirar proveito das mudanças de comportamento das partículas. Por exemplo, os elétrons em um cristal 3D interagem entre si e com a rede cristalina, criando um sistema complexo cuja descrição é possível graças à introdução do conceito das chamadas quasipartículas. As propriedades dessas quasipartículas, incluindo carga elétrica, momento magnético e massa, dependem da simetria do cristal e de sua dimensão espacial.

Já os elétrons presos em duas dimensões podem se comportar de maneira completamente diferente. Por exemplo, no grafeno, uma estrutura de carbono bidimensional com simetria de favo de mel, os elétrons se comportam como objetos sem massa, isto é, como se fossem partículas de luz, os fótons.

Ar criar materiais com dimensões reduzidas, os físicos acabam descobrindo "quase universos" cheios de quasipartículas exóticas. O elétron sem massa no grafeno bidimensional é um exemplo.

Capturando a luz

Agora, Katarzyna Rechcinska e seus colegas criaram uma cavidade óptica na qual prenderam fótons entre dois espelhos. A ideia original era preencher a cavidade com um cristal líquido, que atua como um meio óptico para controlar a luz. Sob a influência de uma tensão elétrica externa, as moléculas desse meio poderiam girar e alterar o caminho e o comprimento (tamanho dos pulsos) dos fótons.

O resultado foi melhor, permitindo criar ondas estacionárias de luz dentro da cavidade, cuja energia (frequência de vibrações) é diferente quando o campo elétrico da onda (polarização) é direcionado através do cristal líquido, e diferente para polarização ao longo de seu eixo (este fenômeno é chamado anisotropia óptica).

Tomografia de luz polarizada circularmente refletida em uma cavidade óptica preenchida com cristal líquido.
[Imagem: M. Krol/UW Physics]

Mais do que isso, assim como os elétrons aprisionados se comportam como se não tivessem massa, os fótons presos na cavidade se comportam como quasipartículas com massa. Essas quasipartículas já foram observadas antes, mas eram difíceis de manipular porque a luz não reage a campos elétricos ou magnéticos. Dessa vez, à medida que a anisotropia óptica do cristal líquido na cavidade era alterada, os fótons presos se comportavam como quasipartículas dotadas de um momento magnético, ou um "spin", em um "campo magnético artificial".

A polarização da onda eletromagnética desempenha o papel de spin da luz na cavidade. O comportamento da luz neste sistema é mais fácil de explicar usando a analogia do comportamento dos elétrons na matéria condensada: As equações que descrevem o movimento dos fótons presos na cavidade se assemelham às equações de movimento dos elétrons com spin.

Computação fotônica

Com tantas semelhanças, o sistema fotônico construído pela equipe imita perfeitamente as propriedades eletrônicas, o que leva a muitos efeitos físicos surpreendentes, como estados topológicos da luz, e, em última instância, pode permitir fazer quase tudo o que se faz com a eletrônica, só que usando a luz.

A descoberta de novos fenômenos relacionados ao aprisionamento da luz, como este, pode abrir o caminho para a implementação de novos dispositivos optoeletrônicos, como redes neurais ópticas - inteligência artificial rodando diretamente em um hardware de luz - e realizar cálculos neuromórficos - processadores que funcionam como um cérebro.

Há ainda um aspecto promissor em particular, com a perspectiva de se criar um estado quântico único da matéria, o condensado de Bose Einstein, que hoje é criado com átomos ultrafrios. Esse condensado pode ser usado para cálculos e simulações quânticas, resolvendo problemas muito difíceis para os computadores modernos. Os fenômenos estudados abrirão novas possibilidades para soluções técnicas e novas descobertas científicas.

Bibliografia:

Artigo: Engineering spin-orbit synthetic Hamiltonians in liquid-crystal optical cavities
Autores: Katarzyna Rechcinska, Mateusz Król, Rafal Mazur, Przemyslaw Morawiak, Rafal Mirek, Karolina Lempicka, Witold Bardyszewski, Michal Matuszewski, Przemyslaw Kula, Wiktor Piecek, Pavlos G. Lagoudakis, Barbara Pietka, Jacek Szczytko
Revista: Science
Vol.: 366, Issue 6466, pp. 727-730
DOI: 10.1126/science.aay4182

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