Aproveitar o poder das tecnologias de luz especiais é uma promessa há muito tempo para controlar como a luz se move através dos dispositivos de maneira estável e eficiente. Mas uma limitação importante é a necessidade de mudanças lentas e cuidadosas para manter o que é chamado de “adiabaticidade” – a condição na qual a luz se move através de um sistema sem saltar de forma imprevisível entre diferentes níveis de energia. Um estudo recente fornece um avanço importante, identificando o tempo mínimo para que essas mudanças ocorram, abrindo as portas para dispositivos ópticos menores e mais rápidos.
O professor Tao Li e o Dr. Wange Song da Universidade de Nanjing desenvolveram um método para atingir esse limite mais curto – chamado de limite inferior adiabático, que é o tempo ou comprimento mínimo necessário para manter a estabilidade do sistema – usando estruturas guiadoras de luz especialmente projetadas feitas de niobato de lítio, um material cristalino comumente usado em óptica de alto desempenho. Seu trabalho foi publicado na revista científica Nature Communications.
O estudo se concentrou em um processo chamado bombeamento topológico, um método de mover luz ou outras partículas de um local para outro em um sistema, ajustando cuidadosamente as condições ao longo do tempo. O que há de especial neste processo é a sua natureza topológica – o que significa que se baseia na estrutura geral do sistema e não nos seus detalhes específicos, o que o ajuda a permanecer estável mesmo na presença de falhas. Normalmente, esta transferência requer ajustes lentos para manter o sistema adiabático, mas a equipe encontrou uma maneira de acelerar o processo controlando de forma otimizada o caminho evolutivo do sistema.
Para realizar este trabalho, o professor Li e o Dr. Song se concentraram na forma dos chamados loops de modulação, que alteram as principais propriedades do sistema para guiar o caminho da luz. No centro de sua abordagem está a minimização da conexão Berry, um conceito matemático que descreve como o estado quântico da luz muda à medida que ela se move através de um sistema. Esta conexão determina a probabilidade de a luz saltar para estados indesejados. Ao encontrar uma forma de reduzir a variação ao longo do caminho, os investigadores permitiram que o sistema evoluísse mais rapidamente, mantendo-se estável.
A equipe testou isso usando duas versões do projeto, ambas baseadas no modelo Rice-Mele, uma estrutura simplificada comumente usada para estudar sistemas com duas partes alternadas, como cadeias de guias de ondas ópticas. Um projeto segue o ciclo tradicional, enquanto o outro utiliza uma versão otimizada dele, chamada de ciclo INFI (abreviação de “ínfimo”), que representa a rota mais eficiente. Na configuração padrão, a luz se move de forma limpa somente quando o dispositivo é relativamente longo. Em contraste, o loop INFI atinge o mesmo resultado em uma distância mais curta. “Abordamos o limite inferior adiabático minimizando as conexões efetivas de Berry ao longo do loop”, disse o professor Li, destacando como essa rota mais inteligente evita áreas problemáticas na configuração do sistema.
Esses resultados não são apenas teóricos. Os pesquisadores construíram esses dispositivos em um chip usando uma fina camada de niobato de lítio, chamada plataforma de niobato de lítio sobre isolante de película fina, uma tecnologia que combina boas propriedades ópticas com a capacidade de fabricar dispositivos compactos. Eles injetaram luz em uma estrutura de guia de ondas (um pequeno caminho que guia a luz ao longo de uma rota específica) e observaram como ela se movia. Em projetos tradicionais, a luz não pode permanecer no caminho a menos que o caminho seja longo o suficiente. Mas no novo design, a luz segue uma rota predeterminada ao longo de um comprimento menor, confirmando o sucesso desta abordagem.
Dr. Song acrescentou: “O limite inferior adiabático acelera o bombeamento topológico das limitações da evolução lenta e facilita o projeto de dispositivos topológicos compactos.” Em outras palavras, esta abordagem elimina as limitações causadas por processos lentos e permite que dispositivos menores tenham o mesmo desempenho. Isto é especialmente importante para plataformas de niobato de lítio, que normalmente requerem mais espaço porque o material não desvia a luz tão bem quanto outros materiais, como o silício.
As descobertas também fornecem novos insights sobre como a luz pode ser controlada em sistemas estáveis para combater defeitos. Ao repensar como os caminhos são formados no espaço de configuração de um sistema – uma paisagem abstrata que representa todas as configurações possíveis – a equipe mostrou que a luz pode ser bombeada mais rapidamente sem perder a confiabilidade. Isto tem um amplo potencial em áreas como a computação quântica, onde a luz precisa de se mover com precisão e rapidez, ou em telecomunicações e tecnologias de detecção, onde são necessários circuitos ópticos compactos e fiáveis.
A pesquisa do professor Li e do Dr. Song não apenas melhora o desempenho desses dispositivos, mas também fornece novos insights sobre os princípios físicos por trás deles. Ao atingir o limite inferior adiabático, eles mostram como um design cuidadoso pode ultrapassar os limites de velocidade e eficiência dos sistemas baseados em luz – um passo em direção ao desenvolvimento da próxima geração de tecnologias ópticas.
Referência do diário
Wu S., Song W., Sun J., Li J., Lin Z., Liu X., Zhu S., Li T. “Aproximação do limite inferior adiabático para bombeamento topológico em guias de onda de niobato de lítio de filme fino.” Comunicações da Natureza, 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54065-9
Sobre o autor
Tao Li Ele é professor na Universidade de Nanjing. Recebeu o Fundo Nacional de Ciência para Jovens de Destaque e o Fundo de Ciência para Jovens de Destaque. Obteve o Fundo Educacional “Wang Kuancheng” de Hong Kong, foi selecionado como um dos principais talentos de inovação científica e tecnológica do Ministério da Ciência e Tecnologia e esteve entre o primeiro lote do “Plano B Dengfeng” da Universidade de Nanjing. Ele foi homenageado cinco vezes por grandes avanços no campo da óptica na China. O Professor Li deu mais de 50 palestras convidadas em conferências internacionais, incluindo Nature e suas sub-revistas, Phys. Rev. e Ciência Óptica. Appl., cujo trabalho foi citado mais de 12.000 vezes. Atualmente, atua no conselho editorial juvenil da China Laser Press, bem como no conselho editorial de outras revistas e publicações, como Science Bulletin e ADI. Ele atua simultaneamente como diretor da Divisão de Metamateriais da Sociedade de Pesquisa de Materiais da China, da Sociedade Física de Jiangsu e da Sociedade Óptica de Jiangsu.
Canção de Wange Pesquisador associado da Universidade de Nanjing e pesquisador visitante da Universidade de Hong Kong. Ele recebeu seu diploma de bacharel em física de materiais pela Universidade de Nanjing em 2016 e seu doutorado em física de materiais pela Universidade de Nanjing em 2016. Obteve um doutorado em Engenharia Óptica pela Universidade de Nanjing em 2021. Ele ganhou o Prêmio Wang Daheng Optics, o Prêmio Jiangsu Youth Optical Science and Technology, e foi selecionado como Yuxiu Young Scholar da Universidade de Nanjing. A pesquisa do Sr. Song concentra-se principalmente no campo da micro-nano óptica. Nos últimos anos, ele fez contribuições importantes nas áreas de óptica topológica e manipulação de campos de luz não-Hermitianos. Até o momento publicou na PRL (6 artigos), Nat. Comunicações e Ciência. advérbio. Sua pesquisa apareceu em recomendações editoriais e artigos de capa, e foi destacada em Physics, PhysOrg e SPIE. Ele também atua como membro do conselho editorial juvenil e editor convidado de diversas revistas acadêmicas.
