.
Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de criar cristais de tempo fotônico e mostraram que esses materiais artificiais bizarros amplificam a luz que brilha sobre eles. Essas descobertas, descritas em um artigo na Avanços da ciênciapode levar a comunicações sem fio mais eficientes e robustas e a lasers significativamente aprimorados.
Os cristais do tempo foram concebidos pela primeira vez pelo Prêmio Nobel Frank Wilczek em 2012. Cristais mundanos e familiares têm um padrão estrutural que se repete no espaço, mas em um cristal do tempo, o padrão se repete no tempo. Enquanto alguns físicos estavam inicialmente céticos de que os cristais do tempo pudessem existir, experimentos recentes tiveram sucesso em criá-los. No ano passado, pesquisadores do Laboratório de Baixa Temperatura da Aalto University criaram cristais de tempo emparelhados que podem ser úteis para dispositivos quânticos.
Agora, outra equipe criou cristais de tempo fotônicos, que são versões baseadas no tempo de materiais ópticos. Os pesquisadores criaram cristais de tempo fotônico que operam em frequências de micro-ondas e mostraram que os cristais podem amplificar ondas eletromagnéticas. Essa capacidade tem aplicações potenciais em várias tecnologias, incluindo comunicação sem fio, circuitos integrados e lasers.
Até agora, a pesquisa sobre cristais fotônicos de tempo concentrou-se em materiais a granel – isto é, estruturas tridimensionais. Isso provou ser extremamente desafiador, e os experimentos não passaram de sistemas modelo sem aplicações práticas. Assim, a equipe, que incluía pesquisadores da Aalto University, do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e da Stanford University, tentou uma nova abordagem: construir um cristal de tempo fotônico bidimensional, conhecido como metasuperfície.
“Descobrimos que reduzir a dimensionalidade de uma estrutura 3D para 2D tornou a implementação significativamente mais fácil, o que possibilitou a realização de cristais de tempo fotônico na realidade”, diz Xuchen Wang, principal autor do estudo, que era aluno de doutorado em Aalto e está atualmente no KIT.
A nova abordagem permitiu à equipe fabricar um cristal de tempo fotônico e verificar experimentalmente as previsões teóricas sobre seu comportamento. “Demonstramos pela primeira vez que os cristais de tempo fotônico podem amplificar a luz incidente com alto ganho”, diz Wang.
‘Em um cristal de tempo fotônico, os fótons são organizados em um padrão que se repete ao longo do tempo. Isso significa que os fótons no cristal são sincronizados e coerentes, o que pode levar a interferência construtiva e amplificação da luz’, explica Wang. O arranjo periódico dos fótons significa que eles também podem interagir de maneiras que aumentam a amplificação.
Cristais de tempo fotônicos bidimensionais têm uma gama de aplicações potenciais. Ao amplificar as ondas eletromagnéticas, eles poderiam tornar os transmissores e receptores sem fio mais poderosos ou mais eficientes. Wang aponta que o revestimento de superfícies com cristais de tempo fotônico 2D também pode ajudar na deterioração do sinal, que é um problema significativo na transmissão sem fio. Os cristais de tempo fotônico também podem simplificar os projetos de laser, removendo a necessidade de espelhos volumosos que são normalmente usados em cavidades de laser.
Outra aplicação surge da descoberta de que os cristais de tempo fotônico 2D não apenas amplificam as ondas eletromagnéticas que os atingem no espaço livre, mas também as ondas que viajam ao longo da superfície. As ondas de superfície são usadas para comunicação entre componentes eletrônicos em circuitos integrados. ‘Quando uma onda de superfície se propaga, ela sofre perdas de material e a força do sinal é reduzida. Com cristais de tempo fotônico 2D integrados ao sistema, a onda de superfície pode ser amplificada e a eficiência da comunicação aprimorada’, diz Wang.
.
