Durante décadas, encolher dispositivos fotônicos tem sido muito mais difícil do que encolher componentes eletrônicos. O desafio se resume à física. A luz não pode ser facilmente confinada a espaços extremamente pequenos porque o princípio da incerteza vincula o seu confinamento ao seu comprimento de onda. Na luz visível e no infravermelho próximo, esse comprimento de onda pode ser mil vezes maior que o comprimento de onda de De Broglie usado em circuitos eletrônicos. Como resultado, os wafers fotônicos permanecem relativamente volumosos e os sistemas de imagem óptica enfrentam severas limitações de resolução.
Os cientistas já exploraram os plasmons como uma possível solução. Este método usa metal para comprimir a luz em um espaço menor que seu comprimento de onda. No entanto, os metais geram grandes quantidades de calor através da dissipação de energia, representando um grande obstáculo para tecnologias fotônicas eficientes e escaláveis.
Em 2024, pesquisadores liderados por Ma Renmin, da Universidade de Pequim, na China, alcançaram um grande avanço (natureza 632, 287-293 (2024)). A equipe desenvolveu o que chama de equação de dispersão singular, uma nova estrutura teórica que mostra que a luz pode ser confinada a escalas muito pequenas usando materiais dielétricos sem perdas em vez de metais. Como esta abordagem depende inteiramente de dielétricos, ela evita as perdas limitadas de calor dos sistemas plasmônicos e ajuda a preparar o caminho para dispositivos fotônicos compactos e energeticamente eficientes.
Descoberta da função de onda “em forma de narval”
Em um artigo recém-publicado Elitea mesma equipe de pesquisa explica a origem dessa limitação extrema de luz. Os pesquisadores dizem que isso surge de um novo modo próprio eletromagnético chamado função de onda em forma de narval.
Esses padrões incomuns combinam dois comportamentos importantes. Perto da singularidade, o campo eletromagnético sofre aprimoramento local da lei de potência. Em distâncias maiores, o campo enfraquece rapidamente através do decaimento exponencial global. Juntas, essas propriedades permitem que a luz seja concentrada e comprimida muito além dos limites físicos tradicionais.
Usando este conceito, a equipe projetou e demonstrou experimentalmente um ressonador dielétrico singular tridimensional capaz de confinar a luz abaixo do limite de difração em todas as três dimensões espaciais.
Limitação de luz recorde
Os pesquisadores usaram medições de varredura de campo próximo para observar diretamente os efeitos da função de onda em forma de narval. Suas medições mostram claramente o crescimento previsto da lei de potência mais próximo da singularidade e o decaimento exponencial mais adiante.
As observações experimentais estão de acordo com as previsões teóricas e simulações 3D completas. O sistema atinge um volume de padrão ultrapequeno de apenas 5 × 10-7 EU3representa um nível extraordinário de confinamento de luz.
Novo microscópio óptico
A equipe também explorou a localização extrema da função de onda em forma de narval para criar uma nova técnica de microscopia óptica de varredura de campo próximo chamada microscopia óptica singular.
Ao excitar os modos próprios de cavidades dielétricas exóticas, o microscópio gera campos eletromagnéticos altamente localizados. Pequenas alterações em estruturas próximas resultam em alterações mensuráveis na ressonância, permitindo que o sistema detecte detalhes extremamente finos.
Os pesquisadores demonstraram uma resolução espacial λ/1000 sem precedentes e obtiveram imagens com sucesso de padrões profundos de comprimento de onda, incluindo as letras “PKU” e “SFM”.
A ascensão da “monadologia”
O estudo mostra que a equação de dispersão singular produz uma função de onda em forma de narval capaz de capturar luz em escalas muito pequenas em materiais dielétricos sem perdas.
Os pesquisadores dizem que esta descoberta constitui a base do que chamam de singularologia, uma nova estrutura nanofotônica focada em controlar e confinar a luz bem abaixo dos limites convencionais, sem gerar dissipação de energia. Este avanço poderia apoiar técnicas de processamento de informação ultraeficientes, criar novas oportunidades para a óptica quântica e expandir as capacidades de imagens de super-resolução.
