Durante décadas, encolher dispositivos fotônicos tem sido muito mais difícil do que miniaturizar componentes eletrônicos. O problema se resume à física. A luz não pode ser facilmente confinada em espaços extremamente pequenos porque o princípio da incerteza relaciona 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 chips fotônicos permanecem relativamente volumosos e os sistemas de imagem óptica enfrentam severas limitações de resolução.
Os cientistas já consideraram a plasmônica como uma possível solução alternativa. Esta abordagem usa metais para espremer a luz em espaços menores que seu comprimento de onda. No entanto, os metais libertam uma quantidade significativa de calor através da dissipação de energia, o que representa um grande obstáculo para tecnologias fotónicas eficientes e escaláveis.
Em 2024, pesquisadores liderados por Ren-Ming Ma, da Universidade de Pequim, na China, fizeram 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 extremamente pequenas usando materiais dielétricos sem perdas em vez de metais. Como o método é inteiramente baseado em dielétrico, ele evita a perda de calor que os sistemas plasmônicos confinados apresentam e pode ajudar a abrir caminho para dispositivos fotônicos compactos e com baixo consumo de energia.
Descoberta de funções de onda “semelhantes ao narval”
Em um artigo recentemente publicado em eLighto mesmo grupo de pesquisa explica a origem deste extraordinário confinamento de luz. De acordo com os pesquisadores, isso surge de uma classe inteiramente nova de modos próprios eletromagnéticos conhecidos como funções de onda do narval.
Esses modos incomuns combinam dois comportamentos importantes. Perto da singularidade, o campo eletromagnético experimenta uma amplificação local gradual. A grandes distâncias, o campo decai rapidamente através de um 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 conter luz abaixo do limite de difração em todas as três dimensões espaciais.
Recorde de confinamento leve
Os pesquisadores usaram medições de varredura de campo próximo para observar diretamente as funções de onda do narval em ação. As suas medições mostraram claramente o crescimento gradual previsto perto da singularidade, bem como um decaimento exponencial mais longe.
As observações experimentais estão em estreita concordância com as previsões teóricas e com as simulações 3D completas. O sistema alcançou um volume de modo ultrapequeno de apenas 5 × 10-7 eu3o que representa um nível incomum de iluminação.
Um novo tipo de microscópio óptico
A equipe também usou a localização extrema de funções de onda na forma de um narval para criar uma nova técnica de microscopia óptica de varredura de campo próximo chamada microscópio óptico singular.
Ao excitar os modos próprios de cavidades dielétricas singulares, o microscópio cria campos eletromagnéticos altamente localizados. Pequenas mudanças em estruturas próximas causam mudanças ressonantes mensuráveis, permitindo que o sistema detecte detalhes extremamente finos.
Os pesquisadores demonstraram uma resolução espacial sem precedentes de λ/1000 e detectaram com sucesso padrões profundos de comprimento de onda, incluindo as letras “PKU” e “SFM”.
A ascensão dos singulônicos
O estudo mostra que a equação de dispersão singular produz funções de onda em forma de narval, capazes de reter luz em escalas extremamente pequenas em materiais dielétricos sem perdas.
Os investigadores dizem que esta descoberta está no cerne do que chamam de singulónica, uma nova estrutura nanofotónica que visa controlar e confinar a luz bem abaixo dos limites convencionais sem dissipar energia. Este progresso poderá apoiar tecnologias de processamento de informação ultraeficientes, criar novas possibilidades na óptica quântica e expandir as possibilidades de imagens de super-resolução.
