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O campo da fotônica integrada decolou nos últimos anos. Esses microchips utilizam partículas de luz (fótons) em seus circuitos, em oposição aos circuitos eletrônicos que, de muitas maneiras, formam a espinha dorsal de nossa era moderna. Oferecendo melhor desempenho, confiabilidade, eficiência energética e novas funcionalidades, a fotônica integrada tem imenso potencial e está rapidamente se tornando parte da infraestrutura em data centers e sistemas de telecomunicações, além de ser um candidato promissor para uma ampla gama de sensores e tecnologias quânticas integradas .
Melhorias significativas na fabricação em nanoescala tornaram possível construir circuitos fotônicos com defeitos mínimos, mas os defeitos nunca podem ser totalmente evitados, e as perdas devido à desordem continuam sendo um fator limitante na tecnologia atual. Minimizar essas perdas poderia, por exemplo, reduzir o consumo de energia em sistemas de comunicação e melhorar ainda mais a sensibilidade da tecnologia de sensores. E como as tecnologias quânticas fotônicas dependem da codificação de informações em estados quânticos frágeis, minimizar as perdas é essencial para dimensionar a fotônica quântica para aplicações reais. Portanto, a busca por novas maneiras de reduzir a retroespalhamento, ou mesmo evitá-la totalmente, está em andamento.
Uma rua de mão única para fótons é impossível hoje
Uma sugestão para minimizar a perda de fótons em um sistema fotônico integrado é guiar a luz através do circuito usando interfaces topológicas que evitam o retroespalhamento por projeto.
“Seria muito bom se fosse possível reduzir as perdas nesses sistemas. Mas, fundamentalmente, criar uma via de mão única para fótons é uma coisa difícil de fazer. Na verdade, a partir de agora, é impossível; fazer isso no domínio óptico exigiria o desenvolvimento de novos materiais que não existem hoje”, diz o professor associado Søren Stobbe, líder do grupo na DTU Electro.
Circuitos construídos a partir de isoladores topológicos forçariam, em teoria, os fótons a seguir em frente, nunca para trás. O canal reverso simplesmente não existiria. Embora tais efeitos sejam bem conhecidos em eletrônicos de nicho e tenham sido demonstrados com micro-ondas, eles ainda precisam ser mostrados no domínio óptico.
Mas a proteção topológica total é impossível no silício e em todos os outros materiais fotônicos de baixa perda, porque eles estão sujeitos à simetria de reversão do tempo. Isso significa que sempre que um guia de ondas permite a transmissão de luz em uma direção, o caminho inverso também é possível. Isso significa que não há uma via de mão única para fótons em materiais convencionais, mas os pesquisadores levantaram a hipótese de que uma via de mão dupla já seria boa o suficiente para evitar o retroespalhamento.
“Tem havido muito trabalho tentando realizar guias de onda topológicos em plataformas relevantes para fotônica integrada. Uma das plataformas mais interessantes é a fotônica de silício, que usa os mesmos materiais e tecnologia que compõem a onipresença atual de chips de computador para construir sistemas fotônicos, e mesmo que a desordem não possa ser totalmente eliminada, talvez o retroespalhamento possa”, diz Søren Stobbe.
Novos resultados experimentais do DTU publicados recentemente em Fotônica da Natureza sugerem fortemente que, com os materiais disponíveis hoje, isso provavelmente não acontecerá.
Guias de ondas de última geração não oferecem proteção
Embora vários estudos anteriores tenham descoberto que pode ser possível evitar o retroespalhamento com base em várias observações indiretas, faltavam medições rigorosas das perdas e do retroespalhamento em guias de ondas topológicos. Os experimentos centrais realizados na DTU foram realizados em um tipo de guia de onda de silício altamente bem caracterizado, mostrando que mesmo nos melhores guias de onda disponíveis, os guias de onda topológicos não mostram proteção contra retroespalhamento.
“Fabricamos o melhor guia de ondas obtido com a tecnologia atual – relatando as menores perdas já vistas e atingindo níveis mínimos de desordem estrutural – mas nunca vimos proteção topológica contra retroespalhamento. Se os isoladores topológicos bidirecionais protegessem contra retroespalhamento, eles apenas ser eficaz em níveis de desordem abaixo do que é possível hoje”, diz o estudante de doutorado Christian Anker Rosiek.
Ele conduziu a maior parte da fabricação, experimentos e análise de dados junto com o pós-doutorado Guillermo Arregui, ambos na DTU Electro.
“Medir apenas as perdas é crucial, mas não suficiente, porque as perdas também podem vir da radiação do guia de ondas. Podemos ver em nossos experimentos que os fótons ficam presos em pequenas cavidades localizadas aleatoriamente no guia de ondas, como se muitos dos pequenos espelhos tivessem foram colocados aleatoriamente no caminho da luz. Aqui, a luz é refletida para frente e para trás, espalhando-se muito fortemente sobre esses defeitos. Isso mostra que a força de retroespalhamento é alta, mesmo em um sistema de última geração, provando que o retroespalhamento é o fator limitante”, diz Guillermo Arregui.
O material do guia de onda deve quebrar a simetria de reversão do tempo
O estudo conclui que, para um guia de ondas oferecer proteção contra retroespalhamento, seria necessário que o isolante topológico fosse construído com materiais que quebrassem a simetria de reversão do tempo sem absorver a luz. Tais materiais não existem hoje.
“Não estamos descartando que a proteção contra retroespalhamento possa funcionar, e a ausência de evidência não deve ser confundida com evidência de ausência. Há muitas pesquisas interessantes a serem exploradas dentro da física topológica, mas seguindo em frente, acredito que os pesquisadores devem tomar muito cuidado na medição de perdas ao apresentar novos guias de onda topológicos. Dessa forma, teremos uma imagem mais clara do verdadeiro potencial dessas estruturas. Suponha que alguém realmente desenvolva novos materiais exóticos que permitem apenas a propagação em uma direção, nosso estudo estabeleceu os testes necessários para reivindicar proteção real contra retroespalhamento.,” diz Christian Anker Rosiek.
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