&bala; Física 18, 120
Um conceito baseado em um efeito exótico em estruturas periódicas pode ser útil para o desenvolvimento de futuros dispositivos fotônicos.
Uma nova maneira de organizar a luz dos dispositivos ópticos foi demonstrada experimentalmente por pesquisadores da China. Eles foram capazes de induzir a luz para se organizar em padrões específicos de pulsos à medida que circulam dentro de um par de loops de fibra óptica usando uma versão de um fenômeno-chamaram o efeito da pele não hérmítica (NHSE)-que foi previsto, mas não observado anteriormente (1). O efeito pode ser usado para controlar sinais de luz em dispositivos fotônicos, como interruptores e roteadores.
Na teoria padrão do comportamento de elétrons em um cristal metálico, a estrutura atômica periódica leva às chamadas ondas de Bloch-estados quânticos de elétron que se espalham por todo o cristal. Mas, nos últimos anos, os teóricos encontraram resultados surpreendentes para um cenário em que se assume que uma partícula como um salto de elétrons entre locais vizinhos em uma treliça periódica assimétrica – digamos, o salto para a direita é mais provável do que o salto à esquerda. Os estados quânticos da partícula ficam localizados na borda ou na superfície da treliça, em vez de se espalhar por ele. Esta localização é o NHSE.
Testando a teoria se mostrou difícil, mas em 2020, os pesquisadores demonstraram o NHSE com luz e não elétrons (2). Eles usaram um circuito de fibra óptica compreendendo dois loops de comprimento ligeiramente diferente que passava por um acoplador óptico compartilhado. Este circuito criou uma “treliça fotônica temporal” – uma sequência de pulsos de luz igualmente espaçados no tempo, com o espaçamento determinado pela diferença nos tempos de propagação ao redor dos dois loops. O “salto” assimétrico foi produzido por diferentes condições de perda e ganho para a força do sinal em cada loop, o que permitia que os pulsos alterassem entre os loops assimetricamente. Imaginando essa treliça temporal como uma treliça no espaço, os pulsos centrais no trem podem ser considerados uma interface entre duas regiões com assimetria diferente, e a equipe descobriu que, independentemente de onde um pulso começou, sempre se movia em direção a essa interface.
Agora, Bing Wang e colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, na China, demonstraram uma versão do efeito que aparece em condições não lineares, o que significa que a intensidade da luz no meio óptico não é simplesmente proporcional à energia no pulso inicial. As não linearidades permitem a propagação de ondas “solitárias” auto-sustentáveis (solitons). Ao contrário dos pulsos de luz comuns, essas ondas não são facilmente dispersas ou dispersas dentro de um meio óptico, portanto são potencialmente mais robustas e, portanto, úteis para transmissão e processamento de informações fotônicas.
Wang e colegas criaram uma resposta não linear nos loops de fibra, dividindo parte da luz em cada fibra e enviando -a para um circuito de amplificação que então interagiu e modificou os pulsos originais. Usar uma parte de um sinal para modificar outra parte é uma técnica comum para produzir não linearidade. Dessa maneira, os pesquisadores poderiam controlar e ajustar a força da não linearidade – algo raramente possível quando uma não linearidade surge de alguma propriedade inerente ao meio óptico.
O NHSE não linear foi manifestado como uma concentração de intensidade em pulsos particulares no trem. Sob algumas condições de não linearidade, o Soliton aparece nos pulsos no início ou no fim (“bordas”) do trem, enquanto sob outras condições, ele pode se mudar para o meio (“quantity”).
Wang diz que essa capacidade de limitar a luz controlativamente a posições específicas em um trem de pulso pode ser usada em interruptores ópticos. Para ilustrar esse aplicativo potencial, a equipe projetou um roteador óptico com várias portas de saída que poderiam ser abertas em um momento específico para admitir algum elemento da rede temporal dos pulsos. Quais dessas portas temporais receberam o Soliton poderia ser controlado variando a força da não linearidade.
O físico óptico Konstantinos Makris, da Universidade de Creta, na Grécia, diz que o trabalho é “muito emocionante”. Essa demonstração de “uma nova classe de ondas solitárias”, diz ele, poderia ter pedidos de processamento de sinais e comunicações fotônicas.
“Esta é uma pesquisa elementary que mostra um novo fenômeno que period completamente desconhecido há apenas alguns anos”, diz o físico óptico Alexander Szameit, da Universidade de Rostock, na Alemanha, que liderou a equipe que demonstrou NHSE linear em 2020 ”. O Szameit concorda que o efeito pode ser usado em dispositivos como interruptores ópticos e pensa que um fenômeno semelhante pode ser encontrado em outros sistemas que mostram efeitos não lineares, como átomos de ultracold. Ele enfatiza, no entanto, que o valor imediato de tal trabalho está em seu potencial para gerar novas idéias para maneiras de manipular a luz.
–Filip Ball
Philip Ball é um escritor de ciências freelancer em Londres. Seu último livro é Como a vida funciona (Picador, 2024).
Referências
- S. Wang et al.“Efeito não-linear de pele não-hermitiana e solitons da pele em treliças de alimentação fotônica temporal”. Phys. Rev. Lett. 134243805 (2025).
- S. Weidemann et al.“Funilamento topológico da luz”. Ciência 368311 (2020).
