Engenharia do fluxo de luz

A nova estrutura mostrada na ilustração foi projetada para fazer uma coisa:mudar a forma da luz à medida que ela é transportada. Em um artigo recente, a professora Mercedeh Khajavikhan e sua equipe mostraram como isso pode ser feito usando um novo modelo teórico que pode ter implicações profundas em muitos aspectos de nossas vidas.

A luz pode ser gerada por lasers para geração de imagens e sensores, passando por cabos de fibra ótica para comunicações avançadas e incorporada em chips para aumentar os recursos de computação a um nível com o qual as gerações anteriores não poderiam ter sonhado. Embora cada um desses avanços possa ter terminado com um novo dispositivo construído por um engenheiro mecânico, astronáutico, biomédico ou de computação, eles começaram na fotônica.

As partículas de luz tendem a se mover como ondas, e a fotônica é a ciência de aproveitar essas ondas. De experimentos de ponta de comunicação quântica com fótons emaranhados a tecnologias cotidianas como telas de smartphones, LiDAR e internet de fibra, a fotônica mudou nossas vidas mais do que a maioria das pessoas imagina. E mesmo que o campo exista há mais de um século, os pesquisadores ainda estão avançando em novas fronteiras.

Uma dessas fronteiras é chamada de fotônica topológica. Ele combina a fotônica tradicional com a física topológica – um campo pioneiro em parte pelo vencedor do Prêmio Nobel e ex-professor da USC Duncan Haldane. A física topológica — o estudo matemático das formas e seu arranjo no espaço — tem sido usada para explicar muitas propriedades interessantes da eletrônica e levou ao desenvolvimento de vários novos materiais e dispositivos. Agora, combinando física topológica e fotônica, os pesquisadores podem projetar estruturas de luz ainda mais criativas e nunca antes vistas.

Então, o que há de tão especial nessa nova estrutura e como eles a construíram? A equipe primeiro usa a física topológica para criar um projeto que deseja explorar. Eles então executam simulações para entender como os elementos da estrutura devem interagir uns com os outros. Em seguida, eles projetam as células individuais – os pequenos blocos de construção que compõem toda a estrutura. Uma vez que o projeto da célula esteja completo, eles devem decidir como elas devem ser organizadas juntas para formar a estrutura. Por fim, o projeto é levado para uma sala limpa de nanofabricação onde o produto físico – com menos de 0,25 milímetro quadrado de tamanho – é construído. O que nos resta é uma estrutura totalmente única que transforma a luz em uma nova forma quando ela flui. Esta nova forma, por sua vez, tem novas qualidades, como melhor pureza do laser e maior eficiência.

Por mais impressionante que isso seja, Khajavikhan e sua equipe decidiram ir ainda mais longe. E é aqui que essa combinação de física e fotônica realmente entra em jogo. Os materiais topológicos podem exibir novas propriedades de transporte surpreendentes, mas não podem ser facilmente alternados entre um estado “ligado” e “desligado”. Pense nessas estruturas leves como um carro de corrida de última geração. Eles podem se mover mais rápido, girar com mais força e fazer mais do que seus concorrentes. Mas se você não consegue desligar o carro depois de ligar o motor, não é uma máquina muito prática.

Foi exatamente isso que a equipe da USC conseguiu fazer – controlar essa nova luz. Eles introduziram uma técnica de sistemas fotônicos chamada “bombeamento óptico” para dar às propriedades topológicas da estrutura a capacidade de ligar e desligar. A capacidade de controlar não apenas a forma da luz, mas quando e como ela flui através de um sistema é de extrema importância.

Para os pesquisadores, o trabalho nessa nova estrutura é apenas o começo. “Nossas descobertas abrem caminhos completamente novos para estudar sistemas topológicos e planejamos projetar mais projetos que possam mudar a face de toda uma série de indústrias, como telas holográficas e lasers de alta potência”, disse Khajavikhan.