Pêndulos de luz que se sincronizam trazem oportunidades para tecnologias quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/06/2023

Os "pêndulos de luz" sincronizam-se de modo muito similar aos pêndulos mecânicos tradicionais.
[Imagem: Frederique Swist/IOP Publishing]

Por que os pêndulos se sincronizam?

Osciladores com frequências de ressonância ligeiramente diferentes tendem a travar sua frequência em um valor comum quando começam a interagir um com o outro. Esse fenômeno foi observado em um sistema de dois pêndulos compartilhando o mesmo suporte por Christiaan Huygens, o inventor do relógio de pêndulo, no século XVII.

Huygens notou pela primeira vez que era difícil fazer dois pêndulos com a mesma frequência de oscilação, uma condição necessária para construir relógios precisos. Se, porém, ele os pendurasse em um suporte comum, os relógios sincronizavam lentamente seus movimentos e, depois de algum tempo, oscilavam na mesma frequência.

Esse processo de sincronização é uma propriedade geral dos sistemas oscilantes, conhecida como bloqueio de modo ou arrastamento. Ele aparece em uma ampla gama de osciladores, desde a sincronização de tempo muito precisa necessária para os sistemas de posicionamento global (GPS) até a sincronização do relógio biológico humano, que regula nossos ritmos diários.

Agora, físicos do Instituto Paul Drude, na Alemanha, e do Instituto Balseiro, na Argentina, descobriram como criar "pêndulos de luz" que também sincronizam suas oscilações, o que tem enorme interesse tecnológico.

Especificamente, Dimitri Chafatinos e seus colegas demonstraram como sincronizar o movimento de pêndulos com frequências de ressonância muito diferentes, ou seja, com diferenças entre suas frequências de ressonância muito maiores do que a banda de frequência de cada pêndulo.

A grande diferença é que os pêndulos fotônicos (direita) interagem pela troca de quanta de energia mecânica.
[Imagem: D. L. Chafatinos et al. - 10.1038/s41467-023-38788-9]

Pêndulos de luz

Nas experiências de Huygens, os pêndulos têm frequências quase iguais, mas em sua versão fotônica os pêndulos têm diferentes comprimentos e, portanto, diferentes frequências de ressonância.

Esse processo, chamado bloqueio assíncrono de frequências, é relevante para várias aplicações, incluindo o bloqueio preciso de frequência usando loops de bloqueio de fase (PLL) em circuitos eletrônicos, bem como a geração de ondas de rádio ou feixes de luz com uma diferença de frequência bem definida.

A equipe criou uma matriz integrada de nanolasers bloqueados assincronamente irradiando em frequências que diferem por múltiplos de uma quantidade bem definida, representada pela letra grega ω (ômega minúscula). A luz é gerada por uma matriz de emissores inseridos em um ressonador optomecânico semicondutor com uma frequência de ressonância mecânica de aproximadamente 20 GHz.

O aparato experimental tem grande relevância para a fotônica e para as tecnologias quânticas.
[Imagem: D. L. Chafatinos et al. - 10.1038/s41467-023-38788-9]

O funcionamento dos pêndulos mecânicos e de luz

O mecanismo por trás da sincronização dos pêndulos mecânicos está longe de ser trivial, e nem mesmo é uma discussão encerrada entre os cientistas. Para entender a melhor explicação hoje, deve-se primeiro considerar que a quantidade de energia armazenada em um pêndulo depende de sua frequência e amplitude de movimento. Além disso, um pêndulo pode oscilar com frequência dentro de uma faixa estreita, cuja largura depende da taxa pela qual o pêndulo perde energia (ou seja, com que rapidez o pêndulo chega ao repouso).

O bloqueio de frequência entre os dois pêndulos de Huygens depende da troca de energia através da barra que suporta ambos. Esse processo requer que a estreita banda de frequência dos dois pêndulos se sobreponha, e que a taxa de transferência de energia seja muito mais rápida do que o tempo de decaimento de suas oscilações. Se essas condições forem atendidas, a energia será transferida para frente e para trás entre os pêndulos, até que suas vibrações se fixem em uma única frequência. No regime bloqueado, a troca líquida de energia entre eles cessa.

Nos "pêndulos fotônicos" tudo funciona de modo bem diferente, embora curiosamente mais simples.

Os emissores são excitados por um feixe de laser externo de onda contínua. Os emissores então ajustam suas energias individuais até que cumpram as condições para o travamento assíncrono. Neste ponto, os intervalos relativos de energia entre os emissores são bloqueados automaticamente para múltiplos de ω, só que por meio da troca de quanta de energia mecânica. A matriz inteira então começa a oscilar automaticamente na frequência mecânica ω.

Este resultado representa um novo conceito para fabricar materiais optomecânicos com base em matrizes de emissores de luz de dimensão micrométrica, interagindo fortemente com vibrações confinadas em GHz. Isso abre caminho para o controle mecânico coerente ultrarrápido de fontes de luz e transições entre estados, relevantes para as tecnologias quânticas.

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