Pesquisadores da Universidade de Purdue descobriram novas ondas com variações espaciais em escala de picometros de campos eletromagnéticos que podem se propagar em semicondutores como o silício. A equipe de pesquisa, liderada pelo Dr. Zubin Jacob, Professor Associado de Elmore de Engenharia Elétrica e de Computação e Departamento de Física e Astronomia, publicou suas descobertas na Physical Review Applied em um artigo intitulado “Picophotonics: Anômalous Atomistic Waves in Silicon”.
“A palavra microscópico tem origem na escala de comprimento de um mícron, que é um milhão de vezes menor que um metro. Nosso trabalho é para a interação da matéria luminosa dentro do regime picoscópico que é muito menor, onde o arranjo discreto das redes atômicas muda a luz propriedades de maneiras surpreendentes”, diz Jacob.
Essas descobertas intrigantes demonstram que a mídia natural hospeda uma variedade de fenômenos ricos de interação luz-matéria no nível atomístico. O uso de ondas picofotônicas em materiais semicondutores pode levar pesquisadores a projetar novos dispositivos ópticos funcionais, permitindo aplicações em tecnologias quânticas.
A interação luz-matéria em materiais é central para vários dispositivos fotônicos, de lasers a detectores. Na última década, a nanofotônica, o estudo de como a luz flui na escala nanométrica em estruturas projetadas como cristais fotônicos e metamateriais, levou a avanços importantes. Esta pesquisa existente pode ser capturada dentro do domínio da teoria clássica da matéria atômica. A descoberta atual que leva à picofotônica foi possibilitada por um grande salto à frente usando uma teoria quântica da resposta atomística na matéria. A equipe é composta por Jacob, bem como pelo Dr. Sathwik Bharadwaj, cientista pesquisador da Purdue University, e pelo Dr. Todd Van Mechelen, ex-pós-doutorado da Purdue University.
O quebra-cabeça de longa data no campo era o elo perdido entre as redes atômicas, suas simetrias e o papel que desempenha em campos de luz profundamente picoscópicos. Para responder a esse quebra-cabeça, a equipe de teoria desenvolveu uma estrutura Maxwell Hamiltoniana da matéria combinada com uma teoria quântica da resposta induzida pela luz em materiais.
“Esta é uma mudança fundamental do tratamento clássico de fluxo de luz aplicado em nanofotônica”, diz Jacob. “A natureza quântica do comportamento da luz em materiais é a chave para o surgimento de fenômenos picofotônicos.”
Bharadwaj e seus colegas mostraram que, escondidas em meio a ondas eletromagnéticas tradicionais bem conhecidas, novas ondas anômalas emergem na rede atômica. Essas ondas de luz são altamente oscilatórias, mesmo dentro de um bloco de construção fundamental do cristal de silício (escala de comprimento subnanômetro).
“Os materiais naturais em si têm simetrias intrínsecas de rede cristalina rica e a luz é fortemente influenciada por essas simetrias”, diz Bharadwaj. “O próximo objetivo imediato é aplicar nossa teoria à infinidade de materiais quânticos e topológicos e também verificar a existência dessas novas ondas experimentalmente”.
“Nosso grupo tem liderado a fronteira da pesquisa em campos eletrodinâmicos em escala pico dentro da matéria no nível atomístico”, diz Jacob. “Recentemente, iniciamos a rede de teoria da picoeletrodinâmica, onde estamos reunindo diversos pesquisadores para explorar fenômenos macroscópicos decorrentes de campos microscópicos pico-eletrodinâmicos dentro da matéria”.
Publicado em 20/11/2022 07h20
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