A luz pode girar como um vórtice? Agora os pesquisadores mostraram que sim. Cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, da Universidade Militar de Tecnologia e do Instituto Pascal CNRS da Universidade de Clermont-Auvergne criaram “tornados ópticos” em turbilhão dentro de uma estrutura muito pequena. O avanço aponta para uma nova forma de construir fontes de luz em miniatura com formatos complexos que possam suportar dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis para comunicação óptica e tecnologias quânticas.
“Nossa solução combina vários campos da física, desde a mecânica quântica, passando pela ciência dos materiais, até a óptica e a física do estado sólido”, explica o professor Jacek Szczytko, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, chefe do grupo de pesquisa. “A inspiração veio de sistemas conhecidos da física atômica, onde os elétrons podem ocupar diferentes estados de energia. Na fotônica, as armadilhas ópticas desempenham um papel semelhante, aprisionando luz em vez de elétrons.”
O que é um vórtice óptico?
“Você pode pensar nisso como um vórtice óptico”, diz o Dr. Martin Muszynski, do Departamento de Física da Universidade de Varsóvia e do Departamento de Física do New York College of Physics, o primeiro autor do estudo. “A onda de luz gira em torno de seu eixo e sua fase muda em espiral. Além disso, até mesmo a polarização – a direção das flutuações do campo elétrico – começa a girar.”
Esses estados de luz estruturados são atraentes para aplicações como comunicação quântica e controle de objetos microscópicos. No entanto, a sua produção geralmente requer nanoestruturas complexas ou grandes sistemas experimentais.
Os cristais líquidos oferecem uma maneira mais fácil
A equipe escolheu uma estratégia diferente. “Em vez de criar sistemas complexos, utilizámos um cristal líquido, um material com propriedades intermédias entre um líquido e um sólido. Embora possa fluir como um líquido, as suas moléculas estão dispostas de forma ordenada, mantendo uma orientação fixa e posições relativas, tal como num cristal”, explica Joana Mandzicka, estudante de nanotecnologia na Faculdade de Física de Varsóvia da Universidade, que juntamente com a Dra.
Defeitos especiais conhecidos como tronos podem se formar neste material. “Eles podem ser imaginados como espirais fortemente torcidas, semelhantes ao DNA, ao longo das quais as moléculas de cristal líquido estão dispostas. Se essa espiral for fechada, conectando suas extremidades em um anel semelhante a um donut, obteremos um taron”, explica Mendzhitska. “Essas estruturas atuam como armadilhas microscópicas para a luz. O passo principal foi criar o equivalente a um campo magnético para os fótons. Embora a luz não responda a um campo magnético da mesma forma que os elétrons, um comportamento semelhante da luz pode ser alcançado por outros meios.”
“Campo magnético sintético” para luz
“A birrefringência espacialmente variável, ou seja, a diferença na distribuição das diferentes polarizações da luz, atua como um campo magnético sintético”, explica o Dr. Piotr Kapustinski, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia. “Chamamos-lhe ‘sintético’ porque a sua descrição matemática se assemelha ao comportamento de um campo magnético, embora não esteja fisicamente lá. Como resultado, a luz começa a “dobrar-se”, semelhante à forma como os electrões se movem através das órbitas de um ciclotrão.”
Para potencializar o efeito, o thoron foi colocado em uma microcavidade óptica, uma estrutura espelhada que reflete repetidamente a luz e a mantém confinada por longos períodos. “Isso torna o campo muito mais forte”, diz o Dr. Muszynski. “Além disso, podemos controlar o tamanho da armadilha e, portanto, as propriedades da luz usando uma tensão elétrica externa”.
Vórtices de luz estáveis no estado fundamental
Em seguida foi o resultado mais impressionante.
“Em sistemas típicos, a luz que carrega o momento angular orbital aparece em estados excitados”, explica o professor Guillaume Malpuche da Universidade de Clermont-Auvergne e do CNRS, que, juntamente com o professor Dmitry Solnyshkov e o estudante de pós-doutorado Daniil Bobylev, desenvolveram um modelo teórico do fenômeno. “Pela primeira vez, conseguimos obter esse efeito no estado fundamental, ou seja, o estado com menor energia. Isso é importante porque o estado fundamental é o mais estável e o mais fácil de armazenar energia.”
“Isso torna a geração muito mais fácil”, enfatiza o professor Shchytko. “A luz naturalmente ‘escolhe’ esse estado porque está associado à menor perda.”
Para confirmar isso, os pesquisadores injetaram um corante laser no sistema. “Obtivemos luz que não apenas gira, mas também se comporta como a luz do laser: é coerente e tem energia e direção de radiação precisamente definidas”, diz o Dr. Martin Mushinski.
Rumo a tecnologias fotônicas e quânticas mais simples
“É interessante que a nossa abordagem se inspire em teorias muito avançadas relacionadas com a chamada carga vetorial”, acrescenta o professor Dmitry Solnyshkov. – Então, de certa forma, conseguimos fazer com que os fótons se comportassem nem como elétrons, mas como quarks, partículas carregadas que constituem os prótons.
“Esta descoberta abre uma nova maneira de criar fontes de luz em miniatura com uma estrutura complexa. “Mostra que, em vez de depender de nanotecnologias complexas, podemos usar materiais auto-organizados, “conclui o professor Viktor Peček da Universidade Militar de Tecnologia. “No futuro, isso pode permitir dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis, por exemplo, para comunicação óptica ou tecnologias quânticas.”
