Cristal espaço-temporal junta o melhor dos cristais comuns e dos cristais do tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/12/2024

Um cristal do tempo funciona como placa de circuito impresso para um computador quântico.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Cristais do espaço, cristais do tempo e cristais espaço-temporais

Pegue um belo pedaço transparente de quartzo, um diamante ou mesmo um pedaço de metal puro, e você terá um cristal, um material com um arranjo atômico que se repete perfeitamente no espaço.

Mas talvez você prefira um cristal do tempo, e então terá uma estrutura periódica que se repete no tempo, indefinidamente, sem a necessidade de nenhum aporte externo de energia para manter sua joia nessa "evolução" eterna.

A novidade agora é que você pode ter as duas coisas ao mesmo tempo: Um cristal espaço-temporal. E esta pode ser a peça que faltava nas nossas tentativas de usar a luz para fazer computação.

Há poucos dias, noticiamos o projeto do primeiro cristal do tempo que você vai conseguir ver, já que o projeto é o primeiro que poderá ser implementado em luz visível.

Mas parece que o trabalho da equipe terá um alcance muito maior do que os próprios pesquisadores haviam previsto: Na verdade, além de um cristal do tempo visível, eles na verdade criaram uma estrutura muito mais versátil: Um cristal espaço-temporal.

A equipe fez os cálculos para uma metassuperfície formada por esferas, mas o arsenal dessas superfícies ajustáveis é muito mais amplo.
[Imagem: Xuchen Wang et al. - 10.1038/s41566-024-01563-3]

Cristal do tempo

Primeiro voltemos aos cristais do tempo: Além de teoricamente poderem sobreviver ao fim do Universo, as propriedades que variam periodicamente no tempo criam "lacunas de banda de momento", ou estados incomuns onde a luz faz uma pausa dentro do cristal, enquanto sua intensidade cresce exponencialmente ao longo do tempo - ou seja, o cristal do tempo pode funcionar como um amplificador de luz.

Essa variação periódica permite também que a composição espectral da luz seja modulada conforme necessário, outra capacidade-chave para o processamento óptico de informações.

"Isso nos dá novos graus de liberdade, mas também apresenta muitos desafios," explica o professor Carsten Rockstuhl, do Instituto Karlsruhe de Tecnologia, na Alemanha. "Este estudo abre caminho para o uso desses materiais em sistemas de processamento de informações capazes de usar e amplificar luz de qualquer frequência."

Ilustração de uma grande lacuna de momento para propagação das ondas de luz.
[Imagem: Xuchen Wang et al. - 10.1038/s41566-024-01563-3]

Cristais espaço-temporais

O parâmetro-chave de um cristal de tempo fotônico é sua lacuna de banda (bandgap) no espaço de momento. Momento é uma medida da direção na qual a luz se propaga, e uma lacuna de banda determina a direção na qual a luz tem que se propagar para ser amplificada - quanto maior a lacuna de banda, maior a amplificação.

"Anteriormente, tínhamos que intensificar a variação periódica das propriedades do material, como o índice de refração, para atingir uma lacuna de banda ampla. Só então a luz poderia ser amplificada," explicou o pesquisador Puneet Garg. "Como as opções para fazer isso são limitadas para a maioria dos materiais, é um grande desafio."

A solução para esse problema envolveu combinar um cristal de tempo fotônico com uma estrutura espacial adicional, ou seja, com um cristal comum - em outras palavras, a equipe criou "cristais de espaço-tempo fotônicos".

Os cristais de espaço-tempo fotônicos foram fabricados implementando um cristal do tempo em um material ressonante com um arranjo periódico físico, neste caso pequenas esferas de silício, que criam uma metassuperfície. Essas estruturas então "prendem" e retêm a luz por mais tempo do que é possível apenas com os cristais do tempo. E a luz reage muito melhor a mudanças periódicas nas propriedades do material.

"Estamos falando de ressonâncias que intensificam as interações entre luz e matéria," disse Xuchen Wang, membro da equipe. "Em tais sistemas ajustados de forma ideal, a lacuna de banda se estende por quase todo o espaço de momento, o que significa que a luz pode ser amplificada independentemente de sua direção de propagação. Este pode ser o passo crucial que falta no caminho para o uso prático desses novos materiais ópticos."

Visualização artística do cristal espaço-temporal, que ainda terá que ser implementado em luz visível.
[Imagem: Xuchen Wang/KIT/Harbin Engineering University]

Animados

O protótipo da equipe opera no espectro infravermelho, mas nada impede que o cristal espaço-temporal seja implementado para o espectro visível, bastando para isso encontrar outros materiais adequados. Além disso, o fato de a implementação ser feita em uma metassuperfície significa que o formato das estruturas, ou meta-átomos, não está limitado a esferas. Essa flexibilidade deixa o projeto aberto a muitas melhorias.

"Estamos muito animados com essa descoberta em materiais fotônicos e ansiosos para ver o impacto de longo prazo da nossa pesquisa. Agora, o enorme potencial da pesquisa moderna de materiais ópticos pode ser realizado," disse Rockstuhl. "A ideia não se limita à óptica e à fotônica; ela pode ser aplicada a vários sistemas físicos e tem o potencial de inspirar novas pesquisas em outros campos."

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