Pesquisadores prendem átomos e os forçam a servir como transistores fotônicos

Pesquisadores da Universidade Purdue capturaram átomos alcalinos (césio) em um circuito fotônico integrado, que se comporta como um transistor para fótons (a menor unidade de energia da luz) semelhante aos transistores eletrônicos. Esses átomos capturados demonstram o potencial para construir uma rede quântica baseada em circuitos nanofotônicos integrados de átomos frios.

A equipe, liderada por Chen-Lung Hung, professor associado de física e astronomia na Faculdade de Ciências da Universidade Purdue, publicou sua descoberta em Revisão Física X.

“Desenvolvemos uma técnica para usar lasers para resfriar e prender firmemente átomos em um circuito nanofotônico integrado, onde a luz se propaga em um pequeno ‘fio’ fotônico, ou mais precisamente, um guia de ondas que é mais de 200 vezes mais fino que um fio de cabelo humano”, explica Hung, que também é membro do Instituto de Ciência e Engenharia Quântica de Purdue.

“Esses átomos são ‘congelados’ a 459,67 graus Fahrenheit negativos, ou meramente 0,00002 graus acima da temperatura zero absoluta, e estão essencialmente parados. Nessa temperatura fria, os átomos podem ser capturados por um ‘raio trator’ direcionado ao guia de ondas fotônico e são colocados sobre ele a uma distância muito menor do que o comprimento de onda da luz, em torno de 300 nanômetros ou aproximadamente o tamanho de um vírus. Nessa distância, os átomos podem interagir de forma muito eficiente com fótons confinados no guia de ondas fotônico.

“Usando instrumentos de nanofabricação de última geração no Birck Nanotechnology Center, nós modelamos o guia de onda fotônico em um formato circular com um diâmetro de cerca de 30 mícrons (três vezes menor que um fio de cabelo humano) para formar um chamado ressonador de microanel. A luz circularia dentro do ressonador de microanel e interagiria com os átomos presos”, acrescenta Hung.

Um aspecto fundamental da função que a equipe demonstra nesta pesquisa é que este ressonador de microanel acoplado a átomos serve como um “transistor” para fótons. Eles podem usar esses átomos presos para bloquear o fluxo de luz através do circuito. Se os átomos estiverem no estado correto, os fótons podem transmitir através do circuito. Os fótons são totalmente bloqueados se os átomos estiverem em outro estado. Quanto mais forte os átomos interagem com os fótons, mais eficiente é este portão.

“Nós capturamos até 70 átomos que poderiam coletivamente se acoplar a fótons e controlar sua transmissão em um chip fotônico integrado. Isso não foi realizado antes”, diz Xinchao Zhou, aluno de pós-graduação em Física e Astronomia da Purdue. Zhou também é o ganhador da Bilsand Dissertation Fellowship deste ano.

Toda a equipe de pesquisa é baseada na Purdue University em West Lafayette, Indiana. Hung atuou como pesquisador principal e supervisionou o projeto. Zhou realizou o experimento para capturar átomos no circuito integrado, que foi projetado e fabricado internamente por Tzu-Han Chang, um ex-pós-doutorado que agora trabalha com o Prof. Sunil Bhave no Birck Nanotechnology Center. As partes críticas do experimento foram criadas por Zhou e Hikaru Tamura, um ex-pós-doutorado em Purdue na época da pesquisa e agora professor assistente no Institute of Molecular Science no Japão.

“Nossa técnica, que detalhamos no artigo, nos permite resfriar com laser de forma muito eficiente muitos átomos em um circuito fotônico integrado. Uma vez que muitos átomos são capturados, eles podem interagir coletivamente com a luz que se propaga no guia de ondas fotônico”, diz Zhou.

“Isso é único para o nosso sistema porque todos os átomos são iguais e indistinguíveis, então eles poderiam se acoplar à luz da mesma forma e construir coerência de fase, permitindo que os átomos interajam com a luz coletivamente com força mais forte. Imagine um barco se movendo mais rápido quando todos os remadores remam o barco em sincronia, em comparação com o movimento não sincronizado”, diz Hung.

“Em contraste, emissores de estado sólido embutidos em um circuito fotônico dificilmente são ‘os mesmos’ devido a ambientes ligeiramente diferentes influenciando cada emissor. É muito mais difícil para muitos emissores de estado sólido construir coerência de fase e interagir coletivamente com fótons como átomos frios. Poderíamos usar átomos frios presos no circuito para estudar novos efeitos coletivos”, continua Hung.

A plataforma demonstrada nesta pesquisa pode fornecer um link fotônico para a computação quântica distribuída futura com base em átomos neutros. Também pode servir como uma nova plataforma experimental para estudar interações coletivas de luz-matéria e para sintetizar gases aprisionados degenerados quânticos ou moléculas ultrafrias.

“Ao contrário dos transistores eletrônicos usados ​​na vida cotidiana, nosso circuito fotônico integrado acoplado a átomos obedece aos princípios da superposição quântica”, explica Hung. “Isso nos permite manipular e armazenar informações quânticas em átomos presos, que são bits quânticos conhecidos como qubits. Nosso circuito também pode transferir eficientemente informações quânticas armazenadas em fótons que poderiam ‘voar’ através do fio fotônico e uma rede de fibras para se comunicar com outros circuitos integrados acoplados a átomos ou interfaces átomo-fóton. Nossa pesquisa demonstra um potencial para construir uma rede quântica baseada em circuitos nanofotônicos integrados de átomos frios.”

A equipe vem trabalhando nessa área de pesquisa há vários anos e planeja persegui-la com vigor. Suas descobertas de pesquisa anteriores vinculadas a este trabalho incluem avanços recentes, como a realização do método ‘tractor beam’ em 2023, listando Zhou como primeiro autor, e a realização de acoplamento de fibra óptica altamente eficiente a um chip fotônico em 2022 com um pedido de patente pendente nos EUA. Novas direções de pesquisa se abriram devido à demonstração bem-sucedida da equipe de átomos sendo resfriados e presos de forma muito eficiente em um circuito. O futuro desta pesquisa é brilhante, com muitos caminhos a serem explorados.

“Há vários próximos passos promissores a serem explorados”, diz Hung. “Poderíamos organizar os átomos presos em uma matriz organizada ao longo do guia de ondas fotônico. Esses átomos podem se acoplar coletivamente ao guia de ondas por meio de interferência construtiva, mas não podem irradiar fótons para o espaço livre circundante devido à interferência destrutiva. Nosso objetivo é construir a primeira plataforma nanofotônica para realizar a chamada ‘radiância seletiva’ proposta por teóricos nos últimos anos para melhorar a fidelidade do armazenamento de fótons em um sistema quântico.

“Também poderíamos tentar formar novos estados de matéria quântica em um circuito fotônico integrado para estudar a física de poucos e muitos corpos com interações átomo-fóton. Poderíamos resfriar os átomos mais perto da temperatura zero absoluta para atingir a degeneração quântica, de modo que os átomos presos pudessem formar um gás de condensado de Bose-Einstein fortemente interativo. Também podemos tentar sintetizar moléculas frias dos átomos presos com o acoplamento radiativo aprimorado do ressonador de microanel.”