Dimenses sintticas abrem novos caminhos para a luz

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 25/03/2024

Indo alm do 3D

No reino da fsica, as dimenses sintticas emergiram como uma das fronteiras da pesquisa mais ativas por oferecer um caminho para explorar fenmenos em espaos de dimenses superiores, alm do nosso espao geomtrico 3D convencional. O conceito tem atrado ateno significativa, especialmente em fotnica topolgica devido ao seu potencial para abrir caminho para uma fsica rica inacessvel no mundo 3D.

Criar uma dimenso sinttica, ou artificial, significa basicamente trazer para o reino 3D material o que as ferramentas matemticas j nos permitem fazer nas teorias h muito tempo.

Um dos principais desafios no espao 3D convencional a realizao experimental de estruturas reticuladas complexas com cujos elementos sejam interligados de modos especficos – em matemtica voc faz isto facilmente usando matrizes. As dimenses sintticas oferecem uma soluo, fornecendo uma plataforma mais acessvel para a criao de redes complexas de ressonadores com acoplamentos que variam num sentido ou noutro (anisotrpicos), de longo alcance ou dissipativos. Esta capacidade j levou a demonstraes inovadoras de enrolamento topolgico no-hermitiano (em um material no-hermitiano a luz se comporta de modos exticos, como se estivesse “desaparecendo” e “reaparecendo”), simetria de paridade-tempo e outros fenmenos.

Alm disso, pesquisadores propuseram vrias estruturas tericas para estudar e implementar essas dimenses sintticas, com o objetivo de domar fenmenos como campos de calibre sintticos, fsica quntica de Hall, slitons discretos e transies de fase topolgicas em quatro dimenses ou mais. Tais propostas podem levar a novos entendimentos fundamentais em fsica.

Como construir dimenses sintticas

Uma variedade de parmetros ou graus de liberdade dentro de um sistema, como modos de frequncia, modos espaciais e momentos angulares orbitais podem ser usados para construir dimenses sintticas, promissoras para aplicaes em diversos campos, desde comunicaes pticas at lasers isolantes topolgicos.

Um objetivo fundamental nesse campo a construo de uma rede “utpica” de ressonadores, na qual qualquer par de modos possa ser acoplado de maneira controlada. Alcanar esse objetivo requer uma manipulao precisa do modo dentro dos sistemas fotnicos, oferecendo caminhos para melhorar a transmisso de dados, a eficincia da coleta de energia e a radincia dos lasers.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores criou conjuntos personalizveis de guias de onda para fazer justamente isto, criando dimenses sintticas com liberdade de manipulao dos modos. Este avano permite o controle eficaz da luz em um sistema fotnico, sem a necessidade de recursos extras complicados, como no-linearidade ou no-hermiticidade.

“A capacidade de ajustar diferentes modos de luz dentro do sistema nos aproxima um passo de alcanar redes ‘utpicas’, onde todos os parmetros de um experimento so perfeitamente controlveis,” observou o professor Zhigang Chen, da Universidade Nankai, na China.

Os pesquisadores modularam perturbaes (“frequncias oscilantes”) para propagaes que correspondem s diferenas entre os diferentes modos de luz. Para fazer isso, eles empregaram redes neurais artificiais (RNAs) para projetar matrizes de guias de onda no espao real. As RNAs so treinadas para criar configuraes de guias de ondas que possuem exatamente os padres de modo desejados. Esses testes ajudam a revelar como a luz se propaga e fica confinada nas matrizes.

Finalmente, os pesquisadores demonstraram o uso de RNAs para projetar um tipo especial de estrutura de rede fotnica chamada rede SSH (Su-Schrieffer-Heeger). Essa rede possui uma caracterstica especfica que permite o controle da luz pela superfcie de todo o sistema (modo topolgico), permitindo alterar como a luz viaja, mostrando as propriedades nicas das suas dimenses sintticas.

Aplicaes sem precedentes

As implicaes deste trabalho so substanciais. Ao ajustar as distncias e frequncias dos guias de ondas, os pesquisadores pretendem otimizar o projeto e a fabricao de dispositivos fotnicos integrados, como os processadores de luz.

“Alm da fotnica, este trabalho oferece um vislumbre da fsica inacessvel geometricamente. Ele promissor para aplicaes que vo desde o modo de laser at a ptica quntica e a transmisso de dados,” destacou o professor Hrvoje Buljan, da Universidade de Zagreb, na Crocia.

A interao da fotnica topolgica e da fotnica em dimenses sintticas, agora potencializada pelas RNAs, abre novas possibilidades para descobertas que podero levar a materiais e aplicaes de dispositivos sem precedentes, destaca a equipe de pesquisa.

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