Revolucionando o Transporte de Luz: Novo Modelo Abre Caminho para Óptica Avançada

A nova estrutura mostrada na ilustração foi projetada para fazer uma coisa: mudar a forma da luz à medida que 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 poderia ter implicações profundas para muitos aspectos de nossas vidas.

A luz pode ser gerada por lasers para imagem e sensoriamento, percorrer cabos de fibra óptica para comunicações avançadas, e ser incorporada em chips para aumentar capacidades computacionais a um nível que gerações anteriores não poderiam sonhar. 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.

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

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

Então, o que há de tão especial nesta nova estrutura e como a construíram? A equipe primeiro usa física topológica para criar um design que desejam explorar. Eles então rodam simulações para entender como os elementos na estrutura devem interagir uns com os outros. Em seguida, projetam as células individuais — os pequenos blocos de construção que compõem a estrutura inteira. Uma vez que o design da célula está completo, eles devem decidir como devem ser organizadas juntas para formar a estrutura. Finalmente, o design é levado a uma sala limpa de nano-fabricação onde o produto físico — menor que 0,25 milímetro quadrado — é construído. O que resta é uma estrutura totalmente única que forma a luz em uma forma nova quando ela flui através. Essa nova forma, por sua vez, tem novas qualidades, como maior pureza de laser e maior eficiência.

Tão impressionante quanto isso, Khajavikhan e sua equipe decidiram ir ainda mais longe. E é aí que a combinação de física e fotônica realmente entra em jogo. Materiais topológicos podem exibir incríveis novas propriedades de transporte, mas não podem ser facilmente comutados entre um estado "ligado" e "desligado". Pense nestas estruturas de luz como um carro de corrida de última geração. Eles podem se mover mais rápido, curvar mais forte e fazer mais que seus concorrentes. Mas se você não pode nunca desligar o carro uma vez que ligou o motor, não é uma máquina muito prática.

Foi exatamente isso que a equipe da USC conseguiu — controlar esta 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 suma importância.

Para os pesquisadores, o trabalho nesta nova estrutura é apenas o começo. "Nossas descobertas abrem avenidas completamente novas para estudar sistemas topológicos e planejamos projetar mais designs que poderiam mudar a face de uma série de indústrias, como telas holográficas e lasers de alta potência," disse Khajavikhan.