Aproveitar o poder das tecnologias especializadas baseadas em luz há muito promete maneiras estáveis e eficientes de controlar como a luz se move através dos dispositivos. Mas uma limitação importante é a necessidade de transições lentas e cuidadosas para manter algo chamado “adiabaticidade” – a condição na qual a luz se move através de um sistema sem saltar inesperadamente entre diferentes estados de energia. O estudo mais recente fornece um avanço importante ao abrir a porta para dispositivos ópticos menores e mais rápidos e ao encontrar um período de tempo mais curto em que essas transições podem ocorrer.
O professor Tao Li e o Dr. Wange Chang, da Universidade de Nanjing, desenvolveram um método para atingir esse limite estreito – o ínfimo adiabático, o tempo ou comprimento mínimo necessário para preservar a estabilidade em um sistema – usando estruturas guiadoras de luz especialmente projetadas feitas de niobato de lítio, frequentemente usadas em óptica de alto desempenho. Seu trabalho foi publicado na revista científica Nature Communications.
A pesquisa se concentra em um processo chamado bombeamento topológico, uma forma de mover luz ou outras partículas de um lugar para outro em um sistema, ajustando cuidadosamente as condições ao longo do tempo. O que torna este processo especial é a sua natureza topológica – isto é, depende da estrutura geral do sistema e não dos seus detalhes específicos, o que lhe permite permanecer estável apesar das suas falhas. Normalmente, essa troca requer ajustes lentos para que o sistema obedeça, mas a equipe encontrou uma maneira de acelerar o processo otimizando o caminho que controla a forma como o sistema evolui.
Para fazer este trabalho, o professor Li e o Dr. Chang se concentraram em um padrão conhecido como loop de modulação, onde as principais propriedades estruturais variam ao longo do caminho ao longo do qual a luz é guiada. Central para sua abordagem é a minimização do acoplamento de Perry, um conceito matemático que descreve como o estado quântico da luz muda à medida que ela se move através de um sistema. Este acoplamento determina a probabilidade de a luz refletir em posições indesejadas. Ao encontrar uma maneira de desacelerá-lo ao longo do caminho, os pesquisadores possibilitaram que o sistema evoluísse rapidamente enquanto permanecia estável.
A equipe testou isso usando duas versões de seu projeto baseadas no modelo Rice-Melay, uma estrutura simples frequentemente usada para estudar sistemas com duas partes alternadas, como uma cadeia de guias de ondas ópticas. Um projeto seguiu um loop tradicional, enquanto o outro utilizou uma versão otimizada deles, conhecida como loop INFI – abreviação de “ínfimo” – indicando uma rota mais eficiente. Numa configuração padrão, a luz se move de forma limpa apenas quando o dispositivo é relativamente longo. Por outro lado, o loop INFI alcançou o mesmo resultado a uma distância muito menor. “Abordamos o ínfimo adiabático minimizando a conexão efetiva de Berry no loop”, disse o professor Li, destacando como esse caminho ideal evita áreas problemáticas na arquitetura do sistema.
Estas conclusões não são meramente teóricas. Os pesquisadores construíram os dispositivos em chips usando camadas finas de niobato de lítio, conhecida como plataforma de niobato de lítio sobre isolante de película fina, uma tecnologia que combina boas propriedades ópticas com a capacidade de fabricar dispositivos menores. Eles direcionaram a luz para estruturas de guias de onda – pequenos caminhos que guiam a luz ao longo de caminhos específicos – e observaram como ela se movia. No design tradicional, a luz não consegue permanecer no caminho, a menos que este seja longo. Mas no novo design, a luz seguiu o caminho pretendido por um comprimento muito menor, confirmando o sucesso da abordagem.
“O ínfimo adiabático acelera as bombas topológicas das restrições da evolução lenta e facilita o projeto de dispositivos topológicos compactos”, acrescentou o Dr. Em outras palavras, este método elimina as restrições causadas por processos lentos e permite dispositivos muito menores com o mesmo desempenho. Isto é especialmente importante para plataformas de niobato de lítio, que normalmente requerem mais espaço porque o material curva a luz com menos força do que coisas como o silício.
As descobertas também fornecem uma nova compreensão de como a luz pode ser controlada contra defeitos em sistemas estáveis. Ao reimaginar como os caminhos são moldados no espaço de configuração do computador – a paisagem abstrata que representa todas as configurações possíveis – a equipe mostrou que a luz pode ser conduzida mais rapidamente sem sacrificar a confiabilidade. Tem um amplo potencial em áreas como a computação quântica, onde a luz deve mover-se com precisão e rapidez, ou em telecomunicações e tecnologias de detecção que requerem circuitos ópticos compactos e fiáveis.
A pesquisa do Professor Li e do Dr. Chang não apenas melhorou o desempenho desses dispositivos, mas também forneceu novos insights sobre a física por trás deles. Ao alcançar o ínfimo adiabático, eles mostraram como um design cuidadoso pode ultrapassar os limites de velocidade e eficiência em sistemas baseados em luz – um passo em direção ao desenvolvimento de tecnologias ópticas de próxima geração.
Nota de diário
Wu S., Chang W., Sun J., Li J., Lin Z., Liu X., Zhu S., Li D. “Aproximando-se do ínfimo adiabático de bombas topológicas em guias de onda de niobato de lítio de película fina.” Comunicações da Natureza, 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54065-9
Sobre os professores
Tao Li Ele é professor na Universidade de Nanjing. Ele recebeu o Fundo Nacional de Ciência para Jovens Acadêmicos Distintos e o Fundo para Jovens Cientistas de Destaque. Ele também recebeu a bolsa “Wang Quancheng” de Hong Kong e foi selecionado como um talento líder em inovação científica e tecnológica pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, além de fazer parte do primeiro grupo “Dengfeng Project B” da Universidade de Nanjing. Ele foi reconhecido cinco vezes pelo progresso significativo em óptica na China. O Professor Li deu mais de 50 palestras convidadas em conferências internacionais e publicou mais de 130 artigos em revistas como a Nature e suas revistas subsidiárias Phys. Rev. Tenente. e ciência da luz. Appl., seu trabalho foi citado mais de 12.000 vezes. Atualmente, ele atua como membro do conselho editorial juvenil do China Laser Journal e membro do conselho editorial de vários periódicos e publicações, incluindo Science Bulletin e ATI. Ele também é membro do conselho da Seção de Metamateriais da Sociedade Chinesa de Pesquisa de Materiais, 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. 2021 em Engenharia Óptica pela mesma universidade. Ele foi selecionado como Prêmio Wang Daheng Optics, Prêmio Provincial de Ciência e Tecnologia Óptica Jovem de Jiangsu e Yuxiu Young Scholar na Universidade de Nanjing. A pesquisa de Song concentra-se principalmente em micro-nano óptica e, nos últimos anos, ele fez contribuições significativas nos campos da óptica topológica e da manipulação de campos ópticos não-Hermitianos. Até o momento, publicou mais de 30 artigos em revistas acadêmicas internacionais como PRL (6 artigos), Nat. Com. e Sci. Av. Sua pesquisa foi apresentada em recomendações de autores e artigos de capa, e foi publicada por Physics, PhysOrg e SPIE. É membro do Conselho Editorial Juvenil e editor convidado de diversas revistas acadêmicas.
