Fótons congelados no tempo por designs inovadores de cristal

Os pesquisadores da AMOLF, em colaboração com a Universidade de Tecnologia de Delft, conseguiram interromper as ondas de luz ao deformar o cristal fotônico bidimensional que as contém. Os pesquisadores mostraram que mesmo uma deformação sutil pode ter um efeito substancial nos fótons do cristal. Isso se assemelha ao efeito que um campo magnético tem sobre os elétrons.

“Este princípio oferece uma nova abordagem para desacelerar os campos de luz e, assim, aumentar a sua força. Realizar isso em um chip é particularmente importante para muitas aplicações”, afirma Ewold Verhagen, líder do grupo AMOLF. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista científica Fotônica da Natureza em 23 de abril. Simultaneamente, uma equipa de investigação da Universidade Estatal da Pensilvânia publicou um artigo nesta revista sobre como demonstraram – independentemente da equipa holandesa – um efeito idêntico.

Manipular o fluxo de luz em um material em pequenas escalas é benéfico para o desenvolvimento de chips nanofotônicos. Para os elétrons, tal manipulação pode ser realizada usando campos magnéticos; a força de Lorentz orienta o movimento dos elétrons. No entanto, isso é impossível para os fótons porque eles não têm carga. Pesquisadores do grupo de Forças Fotônicas da AMOLF estão em busca de técnicas e materiais que lhes permitam aplicar forças a fótons que se assemelhem aos efeitos de campos magnéticos.

Elétrons

“Procuramos inspiração na forma como os elétrons se comportam nos materiais. Em um condutor, os elétrons podem, em princípio, mover-se livremente, mas um campo magnético externo pode impedir isso. O movimento circular causado pelo campo magnético interrompe a condução e, como tal, os elétrons só podem existir no material se tiverem energias muito específicas. Esses níveis de energia são chamados de níveis de Landau e são característicos dos elétrons em um campo magnético”, diz Verhagen.

“Mas, no material bidimensional grafeno – que consiste numa única camada de átomos de carbono dispostos num cristal – estes níveis de Landau também podem ser causados ​​por um mecanismo diferente de um campo magnético. Em geral, o grafeno é um bom condutor eletrônico, mas isso muda quando o conjunto de cristais é deformado, por exemplo, estirando-o como elásticos. Essa deformação mecânica interrompe a condução; o material se transforma em isolante e, conseqüentemente, os elétrons ficam ligados aos níveis de Landau. Conseqüentemente, a deformação do grafeno tem um efeito semelhante sobre os elétrons de um material como um campo magnético, mesmo sem um ímã. Nós nos perguntamos se uma abordagem semelhante também funcionaria para fótons.”

Imagem de microscopia eletrônica de um cristal fotônico. O diâmetro dos furos triangulares é de 300 nanômetros. A curvatura do conjunto de cristais impede o movimento das ondas de luz no cristal. Crédito: AMOLF

Cristal Fotônico

Numa colaboração com Kobus Kuipers da Universidade de Tecnologia de Delft, o grupo de Verhagen demonstrou de facto um efeito semelhante para a luz num cristal fotónico. “Um cristal fotônico normalmente consiste em um padrão regular – bidimensional – de buracos em uma camada de silício. A luz pode mover-se livremente neste material, tal como os eletrões no grafeno”, afirma o primeiro autor René Barczyk, que defendeu com sucesso a sua tese de doutoramento sobre este tema no ano passado. “Quebrar essa regularidade exatamente da maneira correta irá deformar o array e, conseqüentemente, bloquear os fótons. É assim que criamos níveis de Landau para fótons.”

Nos níveis de Landau, as ondas de luz não se movem mais; eles não fluem através do cristal, mas ficam parados. Os pesquisadores conseguiram demonstrar isso, mostrando que a deformação do conjunto de cristais tem um efeito semelhante sobre os fótons como o campo magnético sobre os elétrons.

Verhagen afirmou: “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. Conseqüentemente, esses insights também fornecem novas maneiras de direcionar a luz em um chip.”

Experimentos Simultâneos

O trabalho de Verhagen e sua equipe foi inspirado em previsões teóricas de pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia e Universidade Columbia.

Verhagen relembra: “Quando estávamos fazendo nossas primeiras medições, conversei com um dos autores deste outro estudo. Quando se descobriu que eles também procuravam evidências experimentais do efeito, decidimos não competir para sermos os primeiros a publicar, mas sim submeter o trabalho simultaneamente à editora. Embora alguns detalhes na abordagem fossem diferentes, ambas as equipes foram capazes de impedir o movimento das ondas de luz e observar os níveis de Landau deformando um cristal fotônico bidimensional.

“Isso aproxima as aplicações on-chip”, diz Verhagen. “Se pudermos confinar a luz no nanoescala e pará-lo assim, sua força será tremendamente aumentada. E não apenas num local, mas em toda a superfície do cristal. Essa concentração de luz é muito importante em dispositivos nanofotônicos, por exemplo, para o desenvolvimento de lasers eficientes ou fontes de luz quântica.”

Referência: “Observação de níveis de Landau e estados de borda quirais em cristais fotônicos através de campos pseudomagnéticos induzidos por deformação sintética” por René Barczyk, L. Kuipers e Ewold Verhagen, 23 de abril de 2024, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41566-024-01412-3