Criada uma correia transportadora de luz para quasipartículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2024

(a) O ângulo entre os lasers controla a periodicidade da franja, enquanto o deslocamento da frequência controla sua velocidade e seu movimento. (b) Tomografia de espaço real logo abaixo e logo acima do limiar de formação do condensado de polaritons.
[Imagem: Redondo et al. - 10.1038/s41566-024-01424-z]

Híbridos de luz e matéria

Yago del Valle e colegas do Instituto Riken e da empresa NTT, ambos no Japão, criaram uma estrada não para carros, mas para quasipartículas chamadas polaritons, um tipo de partícula híbrida luz-matéria que vem ganhando inúmeras aplicações em tecnologias de ponta.

Segundo a equipe, sua "esteira rolante para quasipartículas" permitirá o desenvolvimento de novos dispositivos com aplicações em áreas como metrologia quântica e informação quântica, entre outras. Essa via apresenta comportamentos interessantes, como o transporte sem dissipação, o que significa que as partículas podem se mover sem perda de energia, além de outros fenômenos quânticos exóticos.

Os cientistas usaram a interferência entre dois lasers para criar uma paisagem dinâmica de energia potencial - imagine uma paisagem de vales e colinas, em constante movimento repetitivo. Esse gradiente serve como condutor para um estado de polaritons coerente, semelhante ao laser - a diferença é que, em vez de fótons, esse condensado de polaritons é formado pelas quasipartículas.

"Criamos um estado topológico de luz em uma estrutura semicondutora por um mecanismo que envolve modulação rápida da paisagem energética, resultando na introdução de uma dimensão sintética," disse o professor Michael Fraser. Uma dimensão sintética é um método de mapear uma dimensão não espacial, neste caso o tempo, em uma dimensão semelhante ao espaço, de modo que a dinâmica do sistema possa evoluir em um número maior de dimensões, tornando-se mais adequada para as manipulações que se deseja fazer.

Exemplo das estruturas de banda.
[Imagem: Redondo et al. - 10.1038/s41566-024-01424-z]

Múltiplas aplicações

Utilizando este esquema experimental simples, envolvendo a interferência entre dois lasers, os cientistas conseguiram organizar os polaritons precisamente nas dimensões certas para criar uma estrutura de banda artificial, o que significa que as partículas se organizaram em bandas de energia como os elétrons de um material. E essas bandas podem ser controladas ajustando-se as dimensões, profundidade e velocidade da rede óptica de polaritons.

Ajustando a diferença de frequência entre os dois lasers, a correia transportadora se move a velocidades da ordem de 0,1% da velocidade da luz, levando os polaritons a um novo estado.

Graças a este movimento rápido, os polaritons veem uma paisagem de energia potencial diferente dependendo se estão se propagando a favor ou contra o fluxo da rede, um efeito que é análogo ao deslocamento Doppler do som. Esta resposta assimétrica quebra a simetria da reversão do tempo, levando à não reciprocidade e à formação de uma estrutura de banda topológica.

"Estados fotônicos com propriedades topológicas podem ser usados em dispositivos optoeletrônicos avançados, onde a topologia pode melhorar muito o desempenho de dispositivos ópticos, circuitos e redes, por exemplo reduzindo o ruído e as potências limite de emissão laser, e o guiamento de ondas ópticas sem dissipação. Além disso, a simplicidade e a robustez da nossa técnica abre novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos topológicos com aplicações em metrologia quântica e informação quântica," concluiu Fraser.

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