Uma equipe de pesquisadores da Universidade Rice desenvolveu uma nova maneira de controlar as interações da luz usando uma estrutura especialmente projetada chamada cavidade de cristal fotônico 3D. O trabalho, publicado na revista Nature Communications , estabelece as bases para tecnologias que podem permitir avanços transformadores na computação quântica, comunicação quântica e outras tecnologias baseadas em quântica.

"Imagine estar em uma sala cercada por espelhos", disse Fuyang Tay, ex-aluno do Programa de Pós-Graduação em Física Aplicada da Rice e primeiro autor do estudo. "Se você iluminar o interior com uma lanterna, a luz irá refletir para frente e para trás, indefinidamente. Isso é semelhante ao funcionamento de uma cavidade óptica — uma estrutura personalizada que retém a luz entre superfícies reflexivas, permitindo que ela reflita em padrões específicos."

Esses padrões com frequências discretas são chamados de modos de cavidade e podem ser usados para aprimorar as interações luz-matéria, tornando-os potencialmente úteis no processamento de informações quânticas , no desenvolvimento de lasers e sensores de alta precisão e na construção de circuitos fotônicos e redes de fibra óptica de melhor qualidade. Cavidades ópticas podem ser difíceis de construir, portanto, as mais utilizadas possuem estruturas mais simples e unidimensionais.

Tay, juntamente com Ali Mojibpour, ex-aluno de doutorado da Rice, e outros membros da equipe, construíram uma cavidade óptica tridimensional complexa e a utilizaram para estudar como múltiplos modos de cavidade interagem com uma fina camada de elétrons em movimento livre expostos a um campo magnético estático. A questão-chave que norteou a investigação foi o que acontece quando múltiplos modos de cavidade interagem com os elétrons simultaneamente.

"É bem sabido que os elétrons interagem fortemente entre si, mas os fótons não", disse Junichiro Kono, Professor Karl F. Hasselmann de Engenharia, professor de engenharia elétrica e de computação, ciência dos materiais e nanoengenharia e autor correspondente do estudo. "Essa cavidade confina a luz, o que intensifica fortemente os campos eletromagnéticos e leva a um forte acoplamento entre luz e matéria, criando estados de superposição quântica — os chamados poláritons."

Polaritons, também conhecidos como estados híbridos de luz-matéria, representam uma maneira de controlar e manipular a luz em escalas muito pequenas, o que poderia permitir tecnologias de comunicação e computação quântica mais rápidas e energeticamente eficientes . Os polaritons também podem se comportar coletivamente, dando origem a estados de emaranhamento quântico que poderiam ser usados para novos tipos de circuitos e sensores quânticos.

Se a interação que liga fótons e elétrons em poláritons for extremamente intensa — a ponto de a troca de energia entre luz e matéria acontecer tão rápido que resiste à dissipação — um novo regime entra em vigor, conhecido como acoplamento ultraforte.

"O acoplamento ultraforte descreve um modo incomum de interação entre luz e matéria, onde os dois se tornam profundamente hibridizados", disse Tay, que atualmente é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia.

Os pesquisadores usaram radiação terahertz para observar como os modos de cavidade e os elétrons se acoplam dentro da cavidade óptica 3D, superando desafios experimentais como a necessidade de temperaturas ultrafrias e campos magnéticos fortes.

Eles descobriram não apenas que diferentes modos de cavidade interagem com elétrons em movimento em um regime de acoplamento ultraforte, mas também que esse acoplamento multimodal luz-matéria depende da polarização da luz incidente, o que desencadeia uma de duas formas de interação.

Se inicialmente os pesquisadores estavam focados principalmente em como a cavidade do cristal fotônico 3D servia para aumentar o acoplamento luz-matéria, a percepção de que a configuração poderia ser usada para induzir o acoplamento fóton-fóton mediado pela matéria veio como um "momento aha" na pesquisa, disse Andrey Baydin, professor assistente de pesquisa de engenharia elétrica e de computação na Rice e coautor do estudo.

"Esse acoplamento fóton-fóton mediado pela matéria pode levar a novos protocolos e algoritmos em computação quântica e comunicações quânticas", disse Kono.

Alessandro Alabastri, professor assistente de engenharia elétrica e de computação, juntamente com Stephen Sanders, pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório, desenvolveram uma simulação da estrutura da cavidade, replicando as propriedades do material e a dinâmica do campo eletromagnético observadas durante o experimento.

Alabastri elogiou Tay por seu interesse em entender o lado da simulação do trabalho, além do lado experimental.

"Ele é um experimentalista, mas o que achei realmente interessante é que ele estava realmente disposto a aprender a parte computacional também", disse Alabastri.

Ao fornecer uma nova abordagem para a engenharia de interações entre luz e matéria e acoplamentos fóton-fóton ultrafortes, as descobertas da pesquisa abrem caminho para o desenvolvimento de processadores quânticos hipereficientes, transmissão de dados de alta velocidade e sensores de última geração.

"Fenômenos ou estados quânticos são notoriamente frágeis", disse Kono, diretor do Instituto Smalley-Curl da Rice. "A eletrodinâmica quântica de cavidades é um campo emergente de pesquisa para a tecnologia quântica, onde o ambiente de cavidade fornece um ambiente controlado para proteger e aproveitar estados quânticos. Na Rice, temos sido muito ativos na pesquisa em ciência quântica — estamos enfrentando alguns dos maiores desafios da área."