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Pesquisadores do Instituto de Física Atômica e Molecular (AMOLF), na Holanda, afirmam ter demonstrado que a manipulação de um material bidimensional conhecido como cristal fotônico pode interromper a passagem da luz.
Os cientistas já demonstraram anteriormente a capacidade de capturar luz usando ímãs poderosos. Ao mesmo tempo, outras pesquisas mostraram a capacidade de parar elétrons individuais em materiais bidimensionais como o grafeno, simulando os efeitos de campos magnéticos. No entanto, a equipa AMOLF é a primeira a utilizar as propriedades únicas dos materiais bidimensionais para parar a luz nos seus rastos sem utilizar quaisquer campos magnéticos.
Os pesquisadores por trás da nova conquista acreditam que seu trabalho pode abrir diversas aplicações práticas, que vão desde detecção e roteamento no chip até interfaces de laser e matéria quântica de luz.
“Este princípio oferece uma nova abordagem para desacelerar campos de luz e, assim, aumentar a sua força,” explicado Líder do grupo AMOLF, Ewold Verhagen. “Realizar isso em um chip é particularmente importante para muitas aplicações.”
Explorando Twistronics e ângulos mágicos para parar a luz em seu caminho
Em suas pesquisas, Publicados na revista Nature Photonics, a equipe AMOLF explica como as propriedades únicas dos materiais bidimensionais lhes permitiram um controle tão preciso sobre as ondas de luz. Às vezes referido como “Twistrônica”, os pesquisadores descobriram que simplesmente deformar ou “torcer” materiais bidimensionais pode criar uma série de consequências inesperadas e às vezes úteis.
Por exemplo, os investigadores conseguiram induzir certos tipos de supercondutividade torcendo uma pilha de grafeno de duas camadas, que consiste em duas folhas de átomos de carbono individuais, exatamente 1,08 graus. Este chamado “ângulo mágico” oferece esperança de que esses tipos de materiais possam um dia levar a supercondutores funcionais à temperatura ambiente.
É claro que manipular elétrons, que têm carga, é completamente diferente de manipular ondas de luz individuais, uma vez que eles são essencialmente sem massa e não possuem carga eletromagnética. Como explicam os pesquisadores: “Em cristais eletrônicos, os campos magnéticos podem ser usados para induzir uma infinidade de fenômenos únicos; [however] a natureza descarregada dos fótons necessita de abordagens alternativas para proporcionar um controle semelhante sobre os fótons em nanoescala.”
Cristais Fotônicos e Linhas Landau
Para parar a luz com sucesso, a equipe utilizou um tipo de material bidimensional conhecido como cristal fotônico. Assim como o grafeno, esse material é composto de átomos individuais presos nas laterais para criar uma folha bidimensional. No entanto, o carbono usado para fazer o grafeno é substituído por silício, e a folha bidimensional resultante também contém um padrão regular de furos.
“Um cristal fotônico normalmente consiste em um padrão regular – bidimensional – de buracos em uma camada de silício”, explicou o primeiro autor René Barczyk, que defendeu com sucesso sua tese de doutorado sobre este tópico no ano passado. Barczyk também observou que a luz pode se mover livremente neste material, “assim como os elétrons no grafeno”.
“Em geral, o grafeno é um bom condutor eletrônico, mas isso muda quando o conjunto de cristais é deformado, por exemplo, por estiramento como elásticos”, explicou Verhagen. “Essa deformação mecânica interrompe a condução; o material se transforma em isolante e, conseqüentemente, os elétrons ficam ligados aos níveis de Landau.”
Com efeito, esticar o grafeno teve o mesmo efeito que aplicar um campo magnético, só que sem íman. Verhagen diz que dada a forma como esta criação artificial destes “níveis de Landau” controla o movimento dos eletrões, a sua equipa questionou-se “se uma abordagem semelhante também funcionaria para os fotões”.
Com certeza, após vários experimentos, a equipe obteve sucesso. A torção e o estiramento dos cristais fotônicos criaram os níveis Landau desejados, oferecendo a capacidade de manipular o fluxo de luz através do material.
“Ao brincar com o padrão de deformação, conseguimos até estabelecer vários tipos de campos magnéticos efetivos em um material”, explicou Verhagen. “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.”
Talvez mais significativamente, o processo permitiu aos investigadores parar a luz, oferecendo um nível único de controlo sobre fotões individuais.
“Quebrar esta regularidade exatamente da maneira correta irá deformar a matriz e, consequentemente, bloquear os fótons”, disse Barczyk. “É assim que criamos níveis de Landau para fótons.”
Parceria com outros pesquisadores
Durante a pesquisa, a equipe descobriu que pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia e da Universidade de Columbia estavam trabalhando na mesma ideia. Embora alguns aspectos fossem diferentes, o comunicado de imprensa explica que “ambas as equipes foram capazes de impedir o movimento das ondas de luz e observar os níveis de Landau deformando um cristal fotônico bidimensional”.
“Quando estávamos fazendo nossas primeiras medições, conversei com um dos autores deste outro estudo”, disse Verhagen. “Quando descobrimos 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.”
Os pesquisadores acreditam que seu novo método para parar a luz é um avanço significativo. Se aproveitado corretamente, também poderá ser crítico em diversas aplicações potenciais.
“Se pudermos confinar a luz à nanoescala e pará-la desta forma, a sua força será tremendamente aumentada”, disse Verhagen. “E não apenas em um 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.”
Christopher Plain é romancista de ficção científica e fantasia e redator-chefe de ciências do The Debrief. Siga e conecte-se com ele no X, conheça seus livros em plainfiction.comou envie um e-mail diretamente para ele em christopher@thedebrief.org.
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