Cristal de terras raras armazena luz por 1 minuto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/07/2013

A memória de luz foi criada em um cristal Pr:YSO - um ortossilicato de ítrio (YSO) dopado com praseodímio (Pr).
[Imagem: Cortesia Atomic Physics/Lund University]

Primeiro os cientistas descobriram como reduzir a velocidade da luz.

Depois eles conseguiram fabricar armadilhas de luz, criando verdadeiras "memórias arco-íris".

Agora já existem armadilhas de luz em chips e até aparatos que conseguem armazenar a luz mecanicamente.

Mas nada havia chegado perto do que fizeram Georg Heinze e seus colegas da Universidade Técnica de Darmstadt, na Alemanha.

A equipe criou um cristal que armazena luz por até um minuto - é possível armazenar até mesmo uma imagem inteira em pura luz.

Memória de luz

Armazenar a luz pode ter muitas utilidades, mas a que primeira vem à mente é a criação de memórias fotônicas e buffers para armazenar informações ópticas.

Para isso, a memória óptica deve guardar os dados por um tempo razoável, até que ela seja necessária ou os canais para sua transmissão estejam livres.

Os físicos alemães construíram uma memória de luz que reteve as informações por até 60 segundos, uma verdadeira eternidade em relação aos experimentos anteriores.

O mais interessante é que o experimento não foi feito em gases quânticos, que só funcionam em condições muito controladas de laboratório, e nem mesmo nos dispositivos de estado sólido mais comuns nessas pesquisas - os mais comuns são aparatos do tipo "átomos artificiais", envolvendo pontos quânticos ou centros de cores.

Heinze criou sua memória óptica usando um cristal dopado com íons de terras raras.

É um cristal chamado Pr:YSO - um ortossilicato de ítrio (YSO) dopado com praseodímio (Pr). Os átomos dopantes no cristal funcionam como uma memória quântica para os fótons.

"Cristais dopados com íons de terras raras combinam as vantagens dos gases (ou seja, um espectro de transição estreito) e dos sólidos (a escalabilidade e a grande densidade). Além disso, os cristais dopados são comercialmente disponíveis e de fácil manuseio," afirma ele.

O novo recorde mundial de armazenamento de luz em cristais está na casa de um minuto, embora a maior eficiência seja observada até os 40 segundos.
[Imagem: Heinze et al./PRL]

Telecomunicações e processadores de luz

"Nós aplicamos transparência eletromagneticamente induzida para armazenar os dados ópticos no cristal, e passagem adiabática de Raman estimulada (STIRAP) para manipular os dados, por exemplo, para executar operações lógicas," explica a equipe.

Todo o processo de recepção, armazenamento e manipulação da luz é feito por meio de algoritmos evolucionários, que aprimoraram os métodos para otimizar o tempo de retenção da luz.

"A informação é gravada, e depois de lida, usando estados de superposição coerentes, isto é, os átomos estão ao mesmo tempo no estado de menor energia e em um estado metaestável. O recorde mundial de tempo de armazenamento no cristal [agora] se aproximou da escala de um minuto," conclui a equipe.

Essa capacidade para armazenar a luz mantendo suas propriedades de coerência quântica - algo muito difícil de obter em gases - coloca a memória de luz como uma ferramenta inédita não apenas para as telecomunicações e os processadores fotônicos, mas também para o campo dos computadores quânticos.

Embora teoricamente a luz devesse escapar, ela fica aprisionada na pastilha contendo uma malha simétrica de furos.
[Imagem: Chia Wei Hsu]

Armadilha óptica versátil

Também mesma semana, uma equipe do MIT, nos Estados Unidos, apresentou uma outra proposta para o armazenamento de luz, usando cristais fotônicos, essencialmente pastilhas de silício onde são esculpidas estruturas em escala nano, menores do que o comprimento de onda da luz, o que permite sua manipulação.

A nova técnica consiste em colocar ondas de luz contra ondas de luz: o aparato cria duas ondas com o mesmo comprimento de onda, mas fases exatamente opostas - onde uma onda tem um pico, a outra tem um vale - de modo que as ondas se anulam mutuamente.

Enquanto isso, a luz de outros comprimentos de onda (ou cores) podem passar livremente, criando um filtro de luz muito eficiente e preciso.

Ainda que não se compare com a memória óptica desenvolvida pela equipe alemã, esta técnica se destaca por ser aplicável a qualquer tipo de onda, sejam ondas sonoras, ondas de rádio, ondas de água e até mesmo elétrons, cujo comportamento pode ser descrito por equações de onda.

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