Moldar a luz como nunca antes – com cristais fotónicos temporais
Avanço experimental permite o controlo ultrarrápido da luz na gama dos terahertz
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Uma equipa internacional de investigadores da École polytechnique, do Collège de France e do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) alcançou uma primazia mundial: a realização experimental de um cristal fotónico temporal (PTC) totalmente óptico, um material cujas propriedades ópticas podem ser fortemente e periodicamente moduladas no tempo a escalas ultrarrápidas. Publicado na revista *Nature* (DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9), esta descoberta utiliza a fonte superradiante de terahertz TELBE do HZDR para conduzir o sistema a um novo regime de interação luz-matéria na gama dos terahertz. Esta descoberta abre caminho para a computação ótica ultrarrápida, novos sistemas de telecomunicações e, eventualmente, novos tipos de lasers de terahertz.
Moldar as propriedades da luz à medida que esta interage com os materiais é a base de muitas descobertas e avanços tecnológicos, quer se trate de fibras óticas nas telecomunicações, de lasers como fontes de luz ou de sensores para a química e a biologia.
Na École polytechnique, os cientistas estão a lançar as bases para uma tecnologia que ainda não foi amplamente explorada: O Prof. Yannis Laplace, professor assistente na École polytechnique, e a sua equipa do Laboratório de Sólidos Irradiados (LSI) estão a desenvolver novos dispositivos fotónicos para controlar a luz na gama de frequências dos terahertz (THz). A investigação nesta banda de frequências — 1 000 vezes mais rápida do que a utilizada nos componentes eletrónicos — está a progredir rapidamente e poderá revelar novas perspetivas para a observação e manipulação da matéria. «A gama dos THz representa a fronteira entre as tecnologias eletrónicas e fotónicas», explica Laplace. «É uma gama repleta de oportunidades, tanto para a ciência como para a sociedade, mas que ainda se encontra tecnologicamente subdesenvolvida em comparação com as suas contrapartes elétricas e fotónicas. A criação de cristais fotónicos poderá abrir caminho para colmatar esta lacuna.»
O avanço: do controlo espacial ao controlo temporal
Esses cristais fotónicos são materiais nanoestruturados com um padrão ótico periódico (como uma rede) que controla o fluxo de fotões. Ao ajustar de forma inteligente o índice de refração e as formas de diferentes materiais, podem bloquear, guiar ou realçar comprimentos de onda específicos, de forma semelhante à forma como os semicondutores controlam os eletrões.
Em estudos anteriores, esta equipa de investigação tinha demonstrado como a manipulação da temperatura ou dos campos magnéticos podia alterar as propriedades de captura de luz dos cristais fotónicos, mas, até agora, o seu controlo era estático no tempo. Este novo trabalho apresenta os primeiros cristais fotónicos temporais, nos quais as propriedades óticas do material (por exemplo, refletividade, frequência de ressonância) são moduladas dinamicamente em escalas de tempo da ordem dos picossegundos, comparáveis ao próprio ciclo de oscilação da luz. «Ao alargar os cristais fotónicos do espaço para o tempo, abrimos uma nova dimensão para o controlo da luz — e um caminho inovador para a amplificação e a emissão laser. Isso poderá ser uma revolução para as tecnologias óticas nas frequências de terahertz e além», explica Tingwen Guo, estudante de doutoramento na École polytechnique e autor principal da publicação.
Superar o árduo desafio técnico
Para desbloquear a capacidade de alterar as propriedades dos fotões ao longo do tempo, os cientistas tiveram de construir um dispositivo complexo e único no seu género. Com a ajuda do Laboratoire Albert Fert da Thales e dos laboratórios de Física das Interfaces (PICM) da École polytechnique, criaram um tipo especial de cristal fotónico, denominado «metamaterial plasmónico». Este consiste em estruturas cerneladas de ouro à escala micrométrica, sob as quais se encontra uma camada isolante e, por fim, um material semicondutor composto por uma mistura de índio e antimónio. Estas crenelações funcionam como cavidades que retêm fotões de luz entre a camada de ouro e a camada semicondutora; a excitação da superfície deste semicondutor dá origem a «plasmões de superfície», nos quais os eletrões se comportam como uma espécie de onda coletiva capaz de capturar luz e sustentar as suas oscilações.
Ao enviar impulsos de laser de terahertz para este dispositivo, graças à fonte de terahertz intensa e sintonizável em frequência TELBE no acelerador ELBE do HZDR, os investigadores demonstraram que as propriedades óticas do material, particularmente a sua capacidade de refletir a luz, eram moduladas de forma muito intensa em escalas de tempo muito curtas. Trata-se de um feito experimental, uma vez que conseguir uma modulação que fosse simultaneamente muito forte (como forçar um objeto a emitir uma cor totalmente diferente) e muito rápida (na escala dos picossegundos – um bilionésimo de um bilionésimo de segundo) era extremamente difícil. «A capacidade única do TELBE para gerar impulsos de terahertz de alto campo e fase estável foi fundamental», confirmou o Dr. Jan-Christoph Deinert, coordenador da instalação TELBE. «Sem esta infraestrutura, teria sido impossível alcançar a modulação coerente e ultrarrápida necessária para o regime PTC.»
Para além das observações experimentais, um modelo teórico desenvolvido pelo Dr. Marco Schiró, investigador científico no Collège de France, e pela sua equipa confirmou os resultados experimentais, fornecendo uma explicação para o comportamento dos fotões no interior do dispositivo. Demonstrou-se também que a modulação temporal reduz para metade a dissipação de fotões no metamaterial, ou seja, a proporção de fotões que não são refletidos, mas que atravessam a superfície do material. «A teoria não só reproduz a experiência, como também fornece a base para orientar futuras descobertas neste sistema», comemorou Schiró.
Possibilitar futuras aplicações óticas
O próximo passo será descobrir como impedir ainda mais a dissipação de fotões através dos cristais, amplificando assim o número de fotões retidos no interior do dispositivo. Com um elevado nível de amplificação, estes poderiam constituir a fonte de novos lasers com uma modularidade sem paralelo. Este avanço poderá transformar a forma como utilizamos a luz na tecnologia, particularmente na gama dos terahertz. Ao permitir a modulação da luz em escalas de tempo tão curtas, estes cristais de tempo fotónicos aproximam-nos de novos tipos de lasers ultrarrápidos para imagiologia médica e comunicações, e permitem o ajuste à medida das propriedades da luz, como alterar instantaneamente a sua «cor» ou intensidade, para sistemas óticos mais inteligentes e adaptáveis.
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