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Na atual edição do Fotônica da Natureza, Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, chefe da Cátedra de Sistemas de Materiais para Nanoeletrônica e Diretor Científico do Centro de Pesquisa de Materiais, Arquiteturas e Integração de Nanomembranas (MAIN) da Universidade de Tecnologia de Chemnitz, Dr. Libo Ma da Leibniz O Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden e outros parceiros de cooperação apresentam uma estratégia para observar e manipular a fase óptica de Berry em microcavidades do anel de Möbius. Em seu trabalho de pesquisa, eles discutem como uma fase Berry óptica pode ser gerada e medida em anéis dielétricos de Möbius. Além disso, eles apresentam a primeira prova experimental da existência de uma fase de Berry variável para luz ressonante linear ou elipticamente polarizada.
Fascinante tira de Möbius
Uma tira de Möbius é um objeto fascinante. Você pode criar facilmente uma tira de Möbius ao torcer as duas extremidades de uma tira de papel em 180 graus e conectá-las. Após uma inspeção mais detalhada, você percebe que esta fita tem apenas uma superfície. Não pode ser orientado e não se pode distinguir entre dentro e fora ou abaixo e acima. Devido a esta propriedade “topológica” especial, a tira de Möbius tornou-se objeto de inúmeros discursos matemáticos, representações artísticas e aplicações práticas, por exemplo, em pinturas de MC Escher, como aliança de casamento ou como cinto de transmissão para usar os dois lados do cinto igualmente.
Ressonadores de anel óptico
Bandas fechadas ou anéis também desempenham um papel importante em óptica e optoeletrônica. Até agora, no entanto, eles não consistiam em tiras de Möbius e não são feitos de papel, mas sim de materiais ópticos, por exemplo, silício e dióxido de silício ou polímeros. Esses anéis “normais” também não têm centímetros de tamanho, mas micrômetros. Se a luz com um determinado comprimento de onda se propaga em um micro anel, a interferência construtiva causa a ocorrência de ressonâncias ópticas. Este princípio pode ser exemplificado por uma corda de violão, que produz tons diferentes em comprimentos diferentes – quanto mais curta a corda, menor o comprimento de onda e mais alto o tom. Uma ressonância óptica ou interferência construtiva ocorre exatamente quando a circunferência do anel é um múltiplo do comprimento de onda da luz. Nesses casos, a luz ressoa no anel e o anel é chamado de ressonador de anel óptico. Em contraste, a luz é fortemente atenuada e a interferência destrutiva ocorre quando a circunferência do anel é um múltiplo ímpar de metade do comprimento de onda da luz. Assim, um ressonador de anel óptico aumenta a luz de certos comprimentos de onda e atenua fortemente a luz de outros comprimentos de onda que não “encaixam” no anel. Em termos tecnológicos, o anel ressonador atua como um filtro óptico que, integrado em um chip fotônico, pode seletivamente “classificar” e processar a luz. Os ressonadores de anel óptico são elementos centrais do processamento de sinal óptico nas redes de comunicação de dados atuais.
Como a luz polarizada circula na faixa de Möbius
Além do comprimento de onda, a polarização é uma propriedade essencial da luz. A luz pode ser polarizada de várias maneiras, por exemplo linearmente ou circularmente. Se a luz se propaga em um ressonador de anel óptico, a polarização da luz não muda e permanece a mesma em todos os pontos do anel.
A situação muda fundamentalmente se o ressonador de anel óptico for substituído por uma faixa de Möbius ou melhor, um anel de Möbius. Para entender melhor este caso, é bom considerar o detalhe da geometria do anel de Möbius. A seção transversal de um anel de Möbius é tipicamente um retângulo delgado no qual duas arestas são muito mais longas que suas duas arestas adjacentes, como em uma tira fina de papel.
Vamos supor agora que a luz polarizada linearmente circula no anel de Möbius. Como a polarização prefere se alinhar na direção do longo lado da seção transversal do anel de Möbius, a polarização gira continuamente até 180 graus enquanto passa completamente ao redor do anel de Möbius. Esta é uma grande diferença para um ressonador de anel “normal”, no qual a polarização da luz é sempre mantida. E isso não é tudo. A torção da polarização causa uma mudança na fase da onda de luz, de modo que as ressonâncias ópticas não ocorrem mais em múltiplos de comprimento de onda completos que cabem no anel, mas em múltiplos ímpares de meio comprimento de onda. Parte do grupo de pesquisa já havia previsto esse efeito teoricamente em 2013. Essa previsão, por sua vez, é baseada no trabalho do físico Michael Berry, que introduziu a homônima “fase Berry” em 1983, descrevendo a mudança de fase da luz cuja polarização muda à medida que se propaga.
Primeira evidência experimental
No atual artigo publicado na Fotônica da Natureza, a fase Berry da luz circulando em um anel de Möbius é revelada experimentalmente pela primeira vez. Para tanto, foram confeccionados dois anéis com o mesmo diâmetro. O primeiro é um anel “normal” e o segundo é um anel de Möbius. E como previsto, as ressonâncias ópticas no anel de Möbius aparecem em diferentes comprimentos de onda em comparação com o anel “normal”. Os resultados experimentais, no entanto, vão muito além das previsões anteriores. Por exemplo, a polarização linear não apenas gira, mas também se torna cada vez mais elíptica. As ressonâncias não ocorrem exatamente em múltiplos ímpares de metade do comprimento de onda, mas geralmente em múltiplos não inteiros. Para descobrir o motivo desse desvio, foram feitos anéis de Möbius com largura de faixa decrescente. Este estudo revelou que o grau de elipticidade na polarização e o desvio do comprimento de onda de ressonância em comparação com o anel “normal” tornaram-se progressivamente mais fracos à medida que a faixa de Möbius se tornava cada vez mais estreita. Isso pode ser facilmente entendido porque as propriedades topológicas especiais do anel de Möbius se fundem nas propriedades de um anel “normal” quando a largura da banda diminui para aquela de sua espessura. No entanto, isso também significa que a fase Berry nos anéis de Möbius pode ser facilmente controlada simplesmente alterando o design da banda.
Além das fascinantes novas propriedades fundamentais dos anéis ópticos de Möbius, novas aplicações tecnológicas também estão se abrindo. A fase Berry óptica sintonizável nos anéis de Möbius poderia servir para processamento de dados totalmente óptico de bits clássicos, bem como qubits e suportar portas lógicas quânticas em computação e simulação quântica.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Tecnologia de Chemnitz. Original escrito por Matthias Fejes; traduzido por Brent Benofsky. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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