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Pesquisadores da Purdue University descobriram novas ondas com variações espaciais em escala picométrica de campos eletromagnéticos que podem se propagar em semicondutores como o silício. A equipe de pesquisa, liderada pelo Dr. Zubin Jacob, Elmore Professor Associado de Engenharia Elétrica e de Computação e Departamento de Física e Astronomia (cortesia), publicou suas descobertas em Revisão de Física APS Aplicada em um artigo intitulado “Picofotônica: ondas atomísticas anômalas em silício”.
“A palavra microscópico tem sua origem na escala de comprimento de um mícron, que é um milhão de vezes menor que um metro. Nosso trabalho é para a interação da matéria leve dentro do regime picoscópico, que é muito menor, onde o arranjo discreto das redes atômicas altera as propriedades da luz de maneiras surpreendentes”, diz Jacob.
Essas descobertas intrigantes demonstram que a mídia natural hospeda uma variedade de fenômenos ricos de interação luz-matéria no nível atomístico. O uso de ondas picofotônicas em materiais semicondutores pode levar pesquisadores a projetar novos dispositivos ópticos funcionais, permitindo aplicações em tecnologias quânticas.
A interação luz-matéria em materiais é central para vários dispositivos fotônicos, de lasers a detectores. Na última década, a nanofotônica, o estudo de como a luz flui na escala nanométrica em estruturas projetadas, como cristais fotônicos e metamateriais, levou a avanços importantes. Esta pesquisa existente pode ser capturada dentro do reino da teoria clássica da matéria atômica. A descoberta atual que leva à picofotônica foi possível graças a um grande avanço usando uma teoria quântica de resposta atomística na matéria. A equipe é composta por Jacob, bem como pelo Dr. Sathwik Bharadwaj, cientista pesquisador da Purdue University, e pelo Dr. Todd Van Mechelen, ex-pós-doutorado da Purdue University.
O quebra-cabeça de longa data no campo era o elo perdido entre as redes atômicas, suas simetrias e o papel que desempenham em campos de luz profundamente picoscópicos. Para responder a esse quebra-cabeça, a equipe de teoria desenvolveu uma estrutura hamiltoniana de Maxwell da matéria combinada com uma teoria quântica da resposta induzida pela luz nos materiais.
“Esta é uma mudança fundamental do tratamento clássico do fluxo de luz aplicado na nanofotônica”, diz Jacob. “A natureza quântica do comportamento da luz nos materiais é a chave para o surgimento dos fenômenos picofotônicos”.
Bharadwaj e seus colegas mostraram que, escondidas entre as tradicionais ondas eletromagnéticas conhecidas, novas ondas anômalas emergem na rede atômica. Essas ondas de luz são altamente oscilatórias, mesmo dentro de um bloco de construção fundamental do cristal de silício (escala de comprimento subnanômetro).
“Os próprios materiais naturais têm ricas simetrias de rede cristalina intrínseca e a luz é fortemente influenciada por essas simetrias”, diz Bharadwaj. “O próximo objetivo imediato é aplicar nossa teoria à infinidade de materiais quânticos e topológicos e também verificar a existência dessas novas ondas experimentalmente”.
“Nosso grupo tem liderado a fronteira da pesquisa em campos eletrodinâmicos de pico-escala dentro da matéria no nível atomístico”, diz Jacob. “Iniciamos recentemente a rede de teoria da picoeletrodinâmica, onde estamos reunindo diversos pesquisadores para explorar fenômenos macroscópicos decorrentes de campos picoeletrodinâmicos microscópicos dentro da matéria”.
Esta pesquisa foi financiada pelo programa DARPA QUEST.
Escritor: Cheryl Pierce, especialista em comunicações, Terra, Atmosférica, Ciências Planetárias | Física/Astronomia, Purdue University
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Purdue. Original escrito por Cheryl Pierce. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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