Novas formas de fótons abrem portas para tecnologias ópticas avançadas

Pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, obtiveram importantes insights sobre fótons, as partículas elementares que compõem a luz. Eles se “comportam” em uma variedade surpreendentemente maior do que os elétrons que cercam os átomos, enquanto também são muito mais fáceis de controlar.

Essas novas percepções têm amplas aplicações, desde iluminação LED inteligente até novos bits fotônicos de informação controlados com circuitos quânticos, até nanosensores sensíveis. Seus resultados são publicados em Revisão Física B.

Em átomos, minúsculas partículas elementares chamadas elétrons ocupam regiões ao volta do núcleo em formas chamadas orbitais. Essas orbitais dão a verosimilhança de encontrar um elétron em uma região específica do espaço. A mecânica quântica determina a forma e a vontade dessas orbitais. Similarmente aos elétrons, os pesquisadores descrevem a região do espaço onde um fóton é mais provavelmente encontrado com orbitais também.

‘Qualquer forma selvagem que você projetar’

Pesquisadores da Universidade de Twente estudaram esses orbitais fotônicos e descobriram que, com um design melindroso de materiais específicos, eles podem produzir e controlar esses orbitais com uma grande variedade de formas e simetrias. Esses resultados têm aplicações potenciais em tecnologias ópticas avançadas e computação quântica.

O primeiro responsável Kozon explica: “Na química dos livros didáticos, os elétrons sempre orbitam ao volta do minúsculo núcleo atômico no meio do orbital. Logo, o formato de um orbital de elétron não pode se desviar muito de uma esfera perfeita. Com fótons, os orbitais podem ter qualquer formato selvagem que você projetar combinando diferentes materiais ópticos em arranjos espaciais projetados.”

Mais fácil de projetar

Os pesquisadores conduziram um estudo computacional para entender porquê os fótons se comportam quando estão confinados em uma nanoestrutura 3D específica que consiste em poros minúsculos (um cristal fotônico). Essas cavidades são propositadamente projetadas para ter defeitos, criando uma superestrutura que isola os estados fotônicos do envolvente ao volta.

Os físicos Vos e Lagendijk dizem: “Dada a rica caixa de ferramentas da nanotecnologia, é muito mais fácil projetar nanoestruturas engenhosas com novos orbitais fotônicos do que modificar átomos para obter novos orbitais eletrônicos e química.”

Tecnologias ópticas avançadas

Orbitais fotônicos são importantes para o desenvolvimento de tecnologias ópticas avançadas, porquê iluminação eficiente, computação quântica e sensores fotônicos sensíveis. Os pesquisadores também estudaram porquê essas nanoestruturas aumentam a densidade sítio de estados ópticos, o que é importante para aplicações em eletrodinâmica quântica de cavidades.

Eles descobriram que estruturas com defeitos menores revelam maior realce do que aquelas com defeitos maiores. Isso as torna mais adequadas para integrar pontos quânticos e produzir redes de fótons únicos.