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Novas formas de fótons abrem portas para tecnologias ópticas avançadas

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Jul 5, 2024
Figura 1: Vários orbitais fotônicos surgem dentro de uma superrede de cristal fotônico

Em seu artigo recente pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, obtiveram importantes insights sobre as partículas elementares que compõem a luz. Essas partículas, fótons -comportam-se em uma variedade surpreendentemente maior do que elétrons ao redor de 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 nano-sensores sensíveis.

Em átomos, minúsculas partículas elementares chamadas elétrons ocupam regiões ao redor do núcleo em formas chamadas orbitais. Essas orbitais dão a probabilidade de encontrar um elétron em uma região específica do espaço. A mecânica quântica determina a forma e a energia 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 criar-

Pesquisadores da Universidade de Twente estudaram esses orbitais fotônicos e descobriram que, com um design cuidadoso de materiais específicos, eles podem criar 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 autor Kozon explica: -Na química dos livros didáticos, os elétrons sempre orbitam ao redor do minúsculo núcleo atômico no centro do orbital. Então, 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 como os fótons se comportam quando estão confinados em uma nanoestrutura 3D específica composta por minúsculos poros (um cristal fotônico). Essas cavidades são intencionalmente projetadas para ter defeitos, criando uma superestrutura que isola os estados fotônicos do ambiente ao redor. Os físicos Vos e Lagendijk se entusiasmam: – Dada a rica caixa de ferramentas em 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, como iluminação eficiente, computação quântica e sensores fotônicos sensíveis. Os pesquisadores também estudaram como essas nanoestruturas aumentam a densidade local de estados ópticos, o que é importante para aplicações em eletrodinâmica quântica de cavidades. Eles descobriram que estruturas com defeitos menores revelam maior aprimoramento do que aquelas com defeitos maiores. Isso as torna mais adequadas para integrar pontos quânticos e criar redes de fótons únicos.

A pesquisa foi feita por Marek Kozon, Ad Lagendijk, Matthias Schlottbom, Jaap van der Vegt e Willem Vos da Universidade de Twente. Marek é um físico teórico que se formou recentemente nas cadeiras COPS e MACS (agora na Pixel Photonics GmbH, uma empresa de detectores de fótons únicos na Alemanha), Matthias e Jaap são professores de MACS, e Ad e Willem são professores de COPS. 680.93.14CSER035; o programa NWO-JCER, projeto –Cálculo preciso e eficiente das propriedades ópticas de nanoestruturas para energia fotovoltaica aprimorada– no âmbito do Projeto n.º 680-91’084; o programa NWO-GROOT, projeto –Quasicristais fotônicos icosaédricos automontados com uma lacuna de banda para luz visível– no âmbito do Projeto nº. OCENW.GROOT.2019.071; o programa Perspectiva NWO-TTW P15-36 – Óptica de dispersão de forma livre – (FFSO); e o Instituto MESA+ de Nanotecnologia, seção Nanofotônica Aplicada (ANP).

O artigo intitulado –Simetrias e funções de onda de fótons confinados em superredes de banda proibida fotônicas tridimensionais– é de acesso aberto e aparece on-line na Physical Review B (pela American Physical Society (APS)).

10.1103/RevFísicaB.109.235141

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