A luz oferece uma maneira insubstituível de interagir com nosso universo. Ele pode viajar por distâncias galácticas e colidir com nossa atmosfera, criando uma chuva de partículas que contam uma história de eventos astronômicos passados. Aqui na Terra, o controle da luz nos permite enviar dados de um lado do planeta para o outro.
Dada a sua ampla utilidade, não é surpresa que a luz desempenhe um papel crítico na habilitação de aplicações de informações quânticas do século XXI. Por exemplo, os cientistas usam luz laser para controlar átomos com precisão, transformando-os em medidas ultrassensíveis de tempo, aceleração e até mesmo gravidade. Atualmente, essa tecnologia quântica inicial é limitada pelo tamanho – sistemas de última geração não caberiam em uma mesa de jantar, muito menos em um chip. Para uso prático, cientistas e engenheiros precisam miniaturizar dispositivos quânticos, o que requer repensar certos componentes para aproveitar a luz.
Agora, o membro do IQUIST, Gaurav Bahl, e seu grupo de pesquisa desenvolveram um circuito fotônico simples e compacto que usa ondas sonoras para controlar a luz. O novo estudo, publicado na edição de 21 de outubro da revista Nature Photonics, demonstra uma maneira poderosa de isolar ou controlar a direcionalidade da luz. As medições da equipe mostram que sua abordagem de isolamento atualmente supera todas as alternativas anteriores no chip e é otimizada para compatibilidade com sensores baseados em átomos.
“Os átomos são as referências perfeitas em qualquer lugar na natureza e fornecem uma base para muitas aplicações quânticas”, disse Bahl, professor de Ciência Mecânica e Engenharia (MechSe) da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “Os lasers que usamos para controlar átomos precisam de isoladores que bloqueiem reflexos indesejáveis. Mas, até agora, os isoladores que funcionam bem em experimentos de grande escala se mostraram difíceis de miniaturizar.”
Mesmo nas melhores circunstâncias, a luz é difícil de controlar – ela reflete, absorve e refrata ao encontrar uma superfície. Um espelho envia a luz de volta de onde veio, um fragmento de vidro curva a luz enquanto a deixa passar, e as rochas escuras absorvem a luz e a convertem em calor. Essencialmente, a luz espalhará com prazer em todos os sentidos, qualquer coisa em seu caminho. Esse comportamento difícil de controlar é o motivo pelo qual até mesmo um pouquinho de luz é benéfico para ver no escuro.
Controlar a luz em grandes dispositivos quânticos é normalmente uma tarefa árdua que envolve um vasto mar de espelhos, lentes, fibras e muito mais. A miniaturização requer uma abordagem diferente para muitos desses componentes. Nos últimos anos, cientistas e engenheiros fizeram avanços significativos no projeto de vários elementos de controle de luz em microchips. Eles podem fabricar guias de ondas, que são canais de transporte de luz, e podem até mudar sua cor usando certos materiais. Mas forçar a luz, que é feita de pequenos pontos chamados fótons, a se mover em uma direção enquanto suprime reflexos indesejáveis para trás é complicado.
“Um isolador é um dispositivo que permite que a luz passe ininterruptamente em uma direção e a bloqueia completamente na direção oposta”, disse o primeiro autor do estudo, Benjamin Sohn, ex-aluno de graduação e pesquisador de pós-doutorado em Mechse que agora está no NIST, Boulder. “Essa unidirecionalidade não pode ser alcançada usando apenas quaisquer materiais dielétricos ou vidros comuns, então precisamos ser um pouco mais inovadores. Também queremos que o isolador opere em comprimentos de onda de luz sintonizados em sensores atômicos, que podem ser difíceis mesmo em escalas grandes . ”
Em experimentos típicos, a melhor ferramenta para alcançar a unidirecionalidade usa ímãs. Por exemplo, quase todo laser tem um isolador magneto-óptico que permite que a luz saia do laser, mas evita que ela viaje para trás, o que prejudicaria a funcionalidade do laser. Embora até mesmo os lasers possam ser miniaturizados, reduzir isoladores convencionais é problemático por duas razões. Primeiro, em dispositivos compactos, os campos magnéticos afetariam negativamente os átomos próximos. Em segundo lugar, mesmo que houvesse uma maneira de contornar isso, os materiais que estão dentro do isolador não funcionam tão bem nas escalas de comprimento menores em um chip.
A equipe de Bahl demonstrou um novo isolador não magnético de design simples, que usa materiais ópticos comuns e é facilmente adaptável a diferentes comprimentos de onda de luz.
“Queríamos projetar um dispositivo que evitasse a perda naturalmente, e a melhor maneira de fazer isso é fazer a luz se propagar através do nada. O pedaço mais simples de ‘nada’ que ainda pode guiar os fótons ao longo de um caminho controlado é um guia de ondas, que é um componente muito básico em circuitos fotônicos “, disse Bahl.
Em um sistema baseado em átomos completo, o guia de ondas direcionaria a luz laser através de uma série de elementos para uma pequena câmara contendo átomos. Com isso em mente, a equipe otimizou seu chip para uso com luz de 780 nanômetros, que é o comprimento de onda necessário para configurar sensores comuns à base de rubídio.
Essa é apenas a primeira metade do projeto porque, para o isolamento, a luz deve ser bloqueada simultaneamente na direção oposta. Anteriormente, a equipe mostrou que podiam lançar ondas sonoras em um circuito fotônico para interromper o fluxo simétrico de luz. No novo estudo, a equipe transformou essa ideia em uma demonstração de um elemento de chip funcional.
O isolador fotônico completo contém um guia de ondas e um ressonador de anel adjacente, que se parece com uma pista de corrida oblonga. Normalmente, a luz que entra apenas passa do guia de ondas para o ressonador, independentemente de sua direção, bloqueando assim todo o fluxo de luz. Mas quando a equipe aplicou ondas sonoras ao anel, o ressonador apenas capturou a luz que estava se movendo para trás através do guia de ondas. Na direção para a frente, a luz passou pelo guia de ondas desimpedida, como se o ressonador simplesmente não estivesse lá.
As medições da equipe revelaram que quase todos os fótons se movem através do guia de ondas na direção para frente, embora tenham apenas uma chance em dez mil de passar para trás. Isso significa que o projeto reduziu as perdas, ou absorção de luz indesejável, a quase zero, o que era um problema antigo com os isoladores no chip anteriores. Os dados mostram que os novos dispositivos apresentam desempenho recorde para isolamento no chip e operam tão bem quanto os dispositivos maiores baseados em ímã. Além disso, a abordagem é flexível e pode ser usada para vários comprimentos de onda sem alterar o material de partida.
“A simplicidade na fabricação é fundamental – com nossa abordagem, você pode imprimir isoladores fotônicos que funcionam bem para qualquer comprimento de onda de que você precisa, tudo no mesmo chip ao mesmo tempo. Isso simplesmente não é possível com outras abordagens hoje”, disse co- autor Ogulcan Orsel, estudante de graduação em Engenharia Elétrica na Universidade de I.
Isso pode tornar o novo design útil para outras aplicações, como computação quântica, onde campos magnéticos não controlados e dispersos, bem como luz indesejada, podem prejudicar o desempenho geral do dispositivo.
Publicado em 22/10/2021 20h51
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