Além do mundo 3D: Dimensões sintéticas abrem novos caminhos para a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2024

O aprendizado profundo viabilizou a manipulação da luz em uma dimensão artificial, além do mundo 3D.
[Imagem: Shiqi Xia et al. - 10.1117/1.AP.6.2.026005]

Indo além do 3D

No reino da física, as dimensões sintéticas emergiram como uma das fronteiras da pesquisa mais ativas por oferecer um caminho para explorar fenômenos em espaços de dimensões superiores, além do nosso espaço geométrico 3D convencional. O conceito tem atraído atenção significativa, especialmente em fotônica topológica devido ao seu potencial para abrir caminho para uma física rica inacessível no mundo 3D.

Criar uma dimensão sintética, ou artificial, significa basicamente trazer para o reino 3D material o que as ferramentas matemáticas já nos permitem fazer nas teorias há muito tempo.

Um dos principais desafios no espaço 3D convencional é a realização experimental de estruturas reticuladas complexas com cujos elementos sejam interligados de modos específicos - em matemática você faz isto facilmente usando matrizes. As dimensões sintéticas oferecem uma solução, fornecendo uma plataforma mais acessível para a criação de redes complexas de ressonadores com acoplamentos que variam num sentido ou noutro (anisotrópicos), de longo alcance ou dissipativos. Esta capacidade já levou a demonstrações inovadoras de enrolamento topológico não-hermitiano (em um material não-hermitiano a luz se comporta de modos exóticos, como se estivesse "desaparecendo" e "reaparecendo"), simetria de paridade-tempo e outros fenômenos.

Além disso, pesquisadores propuseram várias estruturas teóricas para estudar e implementar essas dimensões sintéticas, com o objetivo de domar fenômenos como campos de calibre sintéticos, física quântica de Hall, sólitons discretos e transições de fase topológicas em quatro dimensões ou mais. Tais propostas podem levar a novos entendimentos fundamentais em física.

A reversão da simetria de paridade-tempo permitiu construir um laser quântico, que transforma perda de energia em ganho.
[Imagem: KAIST]

Como construir dimensões sintéticas

Uma variedade de parâmetros ou graus de liberdade dentro de um sistema, como modos de frequência, modos espaciais e momentos angulares orbitais podem ser usados para construir dimensões sintéticas, promissoras para aplicações em diversos campos, desde comunicações ópticas até lasers isolantes topológicos.

Um objetivo fundamental nesse campo é a construção de uma rede "utópica" de ressonadores, na qual qualquer par de modos possa ser acoplado de maneira controlada. Alcançar esse objetivo requer uma manipulação precisa do modo dentro dos sistemas fotônicos, oferecendo caminhos para melhorar a transmissão de dados, a eficiência da coleta de energia e a radiância dos lasers.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores criou conjuntos personalizáveis de guias de onda para fazer justamente isto, criando dimensões sintéticas com liberdade de manipulação dos modos. Este avanço permite o controle eficaz da luz em um sistema fotônico, sem a necessidade de recursos extras complicados, como não-linearidade ou não-hermiticidade.

"A capacidade de ajustar diferentes modos de luz dentro do sistema nos aproxima um passo de alcançar redes 'utópicas', onde todos os parâmetros de um experimento são perfeitamente controláveis," observou o professor Zhigang Chen, da Universidade Nankai, na China.

Os pesquisadores modularam perturbações ("frequências oscilantes") para propagações que correspondem às diferenças entre os diferentes modos de luz. Para fazer isso, eles empregaram redes neurais artificiais (RNAs) para projetar matrizes de guias de onda no espaço real. As RNAs são treinadas para criar configurações de guias de ondas que possuem exatamente os padrões de modo desejados. Esses testes ajudam a revelar como a luz se propaga e fica confinada nas matrizes.

Finalmente, os pesquisadores demonstraram o uso de RNAs para projetar um tipo especial de estrutura de rede fotônica chamada rede SSH (Su-Schrieffer-Heeger). Essa rede possui uma característica específica que permite o controle da luz pela superfície de todo o sistema (modo topológico), permitindo alterar como a luz viaja, mostrando as propriedades únicas das suas dimensões sintéticas.

A simulação de múltiplas dimensões pode ajudar também no desenvolvimento dos processadores que fazem computação com luz.
[Imagem: Michael Kues-Anahita Khodadad Kashi]

Aplicações sem precedentes

As implicações deste trabalho são substanciais. Ao ajustar as distâncias e frequências dos guias de ondas, os pesquisadores pretendem otimizar o projeto e a fabricação de dispositivos fotônicos integrados, como os processadores de luz.

"Além da fotônica, este trabalho oferece um vislumbre da física inacessível geometricamente. Ele é promissor para aplicações que vão desde o modo de laser até a óptica quântica e a transmissão de dados," destacou o professor Hrvoje Buljan, da Universidade de Zagreb, na Croácia.

A interação da fotônica topológica e da fotônica em dimensões sintéticas, agora potencializada pelas RNAs, abre novas possibilidades para descobertas que poderão levar a materiais e aplicações de dispositivos sem precedentes, destaca a equipe de pesquisa.

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