Luz sente o magnetismo e pode ficar travada, sem se mover

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/04/2024

Imagem de microscópio eletrônico de varredura de um cristal fotônico "tensionado". Os pesquisadores fizeram a luz "sentir" efetivamente um campo magnético dentro da complicada estrutura do cristal.
[Imagem: Rechtsman Laboratory/Penn State]

Interação da luz com o magnetismo

Cientistas conseguiram pela primeira vez fazer com que a luz "sinta" um campo magnético - ao contrário dos elétrons, as partículas de luz não têm carga, portanto não respondem aos campos magnéticos.

Para tornar a luz sensível ao magnetismo, os pesquisadores criaram uma complicada estrutura, de um tipo conhecido como cristal fotônico, que é feito de silício e vidro. Dentro do cristal, a luz gira em círculos formando bandas discretas de energia, imitando um fenômeno bem conhecido observado nos elétrons.

Esta descoberta pode apontar para novas formas de aumentar a interação da luz com a matéria, um avanço que tem potencial para melhorar as tecnologias fotônicas, viabilizando lasers muito pequenos e a tão esperada computação com luz.

Curiosamente, a ferramenta tão esperada foi desenvolvida e anunciada simultaneamente por duas equipes, uma da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA, e outra da Universidade Técnica de Delft, nos Países Baixos, que trabalharam independentemente.

O cristal cria bandas discretas de energia para os fótons, como os elétrons normalmente têm.
[Imagem: Maria Barsukova et al. - 10.1038/s41566-024-01425-y]

Níveis de energia

O termo eletromagnetismo não esconde a importância da interação entre campos elétricos e campos magnéticos, crucial para um sem-número de aplicações tecnológicas. Por isso tem havido grande interesse em reproduzir o comportamento dos elétrons usando fótons, o que tem potencial para, entre muitos outros exemplos, fazer tudo o que já fazemos de modo mais rápido e usando menos energia.

Quando os elétrons são confinados a uma superfície bidimensional e expostos a um forte campo magnético, eles se movem em órbitas circulares, ou "cíclotrons". O movimento dessas órbitas torna-se quantizado, ou seja, os elétrons ficam restritos a certas energias discretas, que são chamadas de níveis de Landau.

"Os níveis de Landau são semelhantes aos níveis de energia dos orbitais dos elétrons ao redor do núcleo de um átomo," explicou o professor Mikael Rechtsman, líder da equipe norte-americana. "Em um átomo, os níveis de energia resultam da atração de elétrons carregados negativamente para o núcleo carregado positivamente, enquanto os níveis de Landau resultam da interação dos elétrons com um campo magnético. Empregamos um método de emular um campo magnético - chamado campo pseudomagnético - para a luz, manipulando com precisão a estrutura de um cristal fotônico."

Interação fotomagnética

O cristal é feito de silício, o mesmo usado para fazer chips. A diferença é que, em vez de usar a litografia para fazer transistores, foram criadas ranhuras e furos para criar uma rede com uma estrutura parecida com favos de mel. Para imitar os efeitos de um campo magnético, os pesquisadores usaram outro cristal sobreposto, para acrescentar uma "tensão" ao padrão da rede.

Quando a luz atinge o cristal fotônico, ela se espalha uniformemente. Contudo, na rede tensionada a luz se move em círculos e seu espectro de energia muda, formando bandas discretas, assim como os níveis de Landau. Ao contrário dos níveis de Landau nos elétrons, as bandas de energia da luz não são planas, são curvas. Mas essa curvatura foi corrigida fazendo modificações na própria rede do cristal fotônico.

O resultado é então uma versão fotônica da interação entre eletricidade e magnetismo, neste caso com uma concentração de fótons em faixas discretas de energia, fornecendo uma ferramenta para aumentar a interação da luz com a matéria e muitas outras aplicações.

"Quando você tem bandas planas [de energia], isso significa que a luz permanece no mesmo lugar por mais tempo, o que significa que tudo o que você está tentando fazer com a luz, você pode fazer com mais eficiência. No momento, estamos investigando se podemos usar esse design para lasers mais eficientes em chips fotônicos," disse Rechtsman.

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Cristal fotônico da equipe holandesa.
[Imagem: René Barczyk et al. - 10.1038/s41566-024-01412-3]

Fazendo a luz parar

A equipe holandesa também construiu seu próprio cristal fotônico, mas com uma geometria ligeiramente diferente, tentando imitar o comportamento dos elétrons no grafeno.

O resultado obtido acentua o estranho comportamento de "congelamento da luz": nos níveis de Landau, as ondas de luz não se movem mais, elas não fluem através do cristal, ficando paradas. Os pesquisadores conseguiram demonstrar isso, mostrando que a deformação do conjunto de cristais tem um efeito semelhante sobre os fótons que o campo magnético sobre os elétrons.

"Ao brincar com o padrão de deformação, conseguimos até estabelecer vários tipos de campos magnéticos efetivos em um material. Como resultado, os fótons podem passar por certas partes do material, mas não por outras. Consequentemente, esses insights também fornecem novas maneiras de direcionar a luz em um chip," disse o professor Ewold Verhagen.

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