A luz pode girar como um redemoinho? Os pesquisadores agora mostraram que sim. Cientistas do Departamento de Física da Universidade de Varsóvia, da Universidade Militar de Ciência e Tecnologia e do Centro Nacional Pascal de Pesquisa Científica da Universidade de Clermont-Auvergne criaram um “tornado óptico” giratório dentro de uma estrutura extremamente pequena. O desenvolvimento aponta para uma nova maneira de construir pequenas fontes de luz com formas complexas que poderiam suportar dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis para comunicações ópticas e tecnologias quânticas.
“Nossa solução combina vários campos da física, desde a mecânica quântica até a engenharia de materiais, passando pela óptica e física do estado sólido”, explica o líder da equipe de pesquisa, Professor Jacek Szczytko, do Departamento de Física da Universidade de Varsóvia. “A inspiração veio de sistemas conhecidos da física atômica, nos quais os elétrons podem ocupar diferentes estados de energia. Na fotônica, as armadilhas luminosas desempenham um papel semelhante, confinando a luz em vez dos elétrons.”
O que é um vórtice óptico?
“Você pode pensar nisso como um vórtice óptico”, disse o principal autor do estudo, Dr. Marcin Muszyński, do Departamento de Física da Universidade de Varsóvia e do City College de Nova York. “A onda de luz gira em torno de seu eixo e sua fase muda em espiral. Além disso, até mesmo a polarização – a direção na qual o campo elétrico oscila – começa a girar.”
Esses estados de luz estruturados são atraentes para aplicações como comunicações quânticas e controle de objetos microscópicos. No entanto, produzi-los muitas vezes requer nanoestruturas complexas ou grandes sistemas experimentais.
LCDs oferecem uma maneira mais fácil
A equipe escolheu uma estratégia diferente. “Em vez de construir um sistema complexo, usamos cristal líquido, um material com propriedades entre o líquido e o sólido. Embora possa fluir como um líquido, suas moléculas estão dispostas de maneira ordenada, mantendo orientações fixas e posições relativas, assim como nos cristais, “explica Joanna Mędrzycka, estudante de nanotecnologia da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, que preparou a amostra junto com a Dra.
Neste material, formam-se defeitos especiais chamados “torons”. “Eles podem ser imaginados como hélices fortemente torcidas, semelhantes ao DNA, ao longo das quais as moléculas de cristal líquido estão dispostas. Se fecharmos esta hélice conectando as extremidades desta hélice em laços semelhantes a donuts, obteremos torons”, explica Mędrzycka. “Essas estruturas atuam como armadilhas microscópicas para a luz. Um passo fundamental é criar o equivalente a um campo magnético para os fótons. Esse não é o caso dos campos magnéticos ópticos. Embora os campos magnéticos possam ser obtidos de outras maneiras.”
“Campo magnético sintético” da luz
“A birrefringência espacialmente variável, isto é, a diferença na propagação de diferentes luzes polarizadas, atua como um campo magnético sintético”, explica o Dr. Piotr Kapuściński da Escola de Física da Universidade de Varsóvia. “Chamamos-lhe ‘sintético’ porque a sua descrição matemática é semelhante ao comportamento de um campo magnético, embora fisicamente não exista. Como resultado, a luz começa a ‘dobrar-se’, como os electrões que se movem em torno de uma órbita de ciclotrão.”
Para potencializar o efeito, o toron foi colocado dentro de uma microcavidade óptica, estrutura feita de espelhos que reflete repetidamente a luz e a mantém confinada por mais tempo. “Isso torna o campo mais forte”, disse o Dr. Muszynski. “Além disso, podemos usar uma tensão externa para controlar o tamanho da armadilha e, portanto, as propriedades da luz”.
Vórtices ópticos estáveis no estado fundamental
O que se segue é o resultado mais impressionante.
“Num sistema típico, a luz portadora de momento angular orbital aparece num estado excitado,” explica o professor Guillaume Malpuech da Universidade de Clermont-Auvergne e do Centro Nacional Francês de Investigação Científica, que desenvolveu um modelo teórico deste fenómeno juntamente com o professor Dmitry Solnyshkov e o pós-doutorando Daniil Bobylev. “Pela primeira vez, conseguimos obter esse efeito no estado fundamental, o estado com a energia mais baixa. Isso é importante porque o estado fundamental é o mais estável e mais fácil de acumular energia.”
“Isso torna mais fácil obter a emissão de laser”, enfatizou o professor Szczytko. “A luz ‘seleciona’ naturalmente esse estado porque está associado às perdas mais baixas.”
Para confirmar isso, os pesquisadores introduziram corantes laser no sistema. “A luz que obtemos não apenas gira, mas também se comporta como um laser: é coerente e tem energia e direção de emissão bem definidas”, diz o Dr. Marcin Muszyński.
Rumo a tecnologias fotônicas e quânticas mais simples
“O que é interessante é que o nosso método se inspira em teorias muito avançadas envolvendo as chamadas cargas vetoriais”, acrescentou o professor Dmitry Solnishkov. “Então, até certo ponto, conseguimos fazer com que os fótons se comportassem nem como elétrons, mas como quarks, as partículas carregadas que constituem os prótons.”
“Esta descoberta abre uma nova maneira de criar fontes de luz em miniatura com estruturas complexas”, concluiu o professor Wiktor Piecek, da Universidade Militar de Ciência e Tecnologia. “Isso mostra que podemos usar materiais auto-organizados em vez de depender de nanotecnologias complexas. No futuro, isso poderá permitir dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis, por exemplo, para comunicações ópticas ou tecnologias quânticas.”
