Cristal do tempo amplifica a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2023

O cristal do tempo fotônico é 2D, formado por uma metassuperfície.
[Imagem: Xuchen Wang/Aalto University]

Cristais de tempo fotônicos

Se já não fossem por si sós bizarros o suficiente, um cristal do tempo projetado para interagir com a luz mostrou uma capacidade impressionante de amplificar essa luz.

Esses cristais de tempo fotônicos podem levar a comunicações sem fio mais eficientes e robustas e a lasers significativamente aprimorados.

Os cristais sólidos comuns têm os átomos arranjados em padrões que se repetem no espaço, mas os cristais do tempo têm padrões que se repetem no tempo.

Embora muitos físicos tenham ficado inicialmente céticos de que os cristais do tempo pudessem existir, experimentos recentes tiveram sucesso em criá-los e colocá-los rumo a aplicações práticas. No ano passado, por exemplo, pesquisadores finlandeses criaram cristais do tempo emparelhados que podem ser úteis para tecnologias quânticas.

A novidade também vem da Finlândia, mas de uma outra equipe, que criou versões temporais de materiais ópticos já bem conhecidos, os cristais fotônicos, materiais que podem controlar ou manipular a luz de formas totalmente inesperadas, graças à sua singular estrutura física.

Os cristais de tempo fotônicos, por sua vez, controlam a luz em função de sua estrutura temporal. E o primeiro exemplar, criado agora pela equipe, apresentou uma inusitada capacidade de amplificar as ondas eletromagnéticas, um recurso com aplicações potenciais em várias tecnologias, incluindo comunicação sem fio, circuitos integrados e lasers - este primeiro protótipo opera em frequências de micro-ondas.

Aparato experimental que realizou a amplificação da luz.
[Imagem: Xuchen Wang et al. - 10.1126/sciadv.adg7541]

Amplificação da luz

Como tentar criar versões temporais dos cristais fotônicos 3D comuns não estava dando certo, Xuchen Wang e seus colegas da Universidade Aalto se voltaram para as metassuperfícies, um material plano cuja superfície é formada por meta-átomos que interagem de maneira programável com a luz.

"Nós descobrimos que reduzir a dimensionalidade de uma estrutura 3D para 2D tornou a implementação significativamente mais fácil, o que possibilitou tornar realidade os cristais fotônicos de tempo," disse Wang. "Nós demonstramos pela primeira vez que os cristais de tempo fotônico podem amplificar a luz incidente com alto ganho."

A possibilidade de amplificar a luz que incide sobre ele vem da característica intrínseca do próprio cristal do tempo: Como os fótons ficam organizados em um padrão que se repete no tempo, eles ficam sincronizados e coerentes, o que gera uma interferência construtiva - em outras palavras, a amplificação da luz.

A possibilidade de amplificar as ondas eletromagnéticas abre novos horizontes de aplicação para os cristais do tempo, como tornar os transmissores e receptores sem fio mais poderosos ou mais eficientes ou recobrir as paredes para evitar a atenuação do sinal. Os cristais de tempo fotônico também podem substituir os espelhos nas cavidades que amplificam a luz em um laser, simplificando os projetos.

Outra aplicação surge do fato de que os cristais de tempo fotônico 2D não amplificam apenas as ondas eletromagnéticas que os atingem no espaço livre, mas também as ondas que viajam ao longo da sua superfície. E ondas de superfície são usadas para comunicação entre componentes eletrônicos dentro dos circuitos integrados. "Quando uma onda de superfície se propaga, ela sofre perdas pelo material e a força do sinal é reduzida. Com cristais de tempo fotônico 2D integrados ao sistema, a onda de superfície pode ser amplificada e a eficiência da comunicação aprimorada," disse Wang.

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