Cristal do tempo fotônico molda a luz em ultravelocidade

Cristal do tempo de luz

Uma equipe de físicos da Alemanha e da França conseguiu algo inusitado no ainda estranho, mas entusiasmante, campo dos cristais do tempo, estruturas que se repetem não no espaço, mas no tempo – eles são dinâmicos e estão sempre se refazendo, e assim continuarão até o fim dos tempos.

Tingwen Guo e seus colegas conseguiram criar experimentalmente o primeiro cristal fotônico temporal totalmente de luz, um “material” cujas propriedades ópticas podem ser periodicamente moduladas no tempo. E, por ser totalmente de luz, ele faz essa modulação em escalas ultrarrápidas, na frequência dos terahertz (THz).

Este feito experimental aponta para múltiplas aplicações futuras, incluindo a computação óptica ultrarrápida, novos sistemas de telecomunicações e novos tipos de lasers.

“A faixa dos THz representa a fronteira entre as tecnologias eletrônicas e fotônicas,” explica o professor Yannis Laplace, da Escola Politécnica da França. “É uma faixa repleta de oportunidades tanto para a ciência quanto para a sociedade, mas ainda está subdesenvolvida tecnologicamente em comparação com suas contrapartes elétricas e fotônicas. A criação de cristais fotônicos pode abrir caminho para o fechamento dessa lacuna.”

Do controle espacial ao controle temporal

Os cristais fotônicos tradicionais – aqueles que são espaciais, e não temporais – são materiais nanoestruturados com um padrão óptico periódico, como uma rede cristalina, que controla o fluxo de fótons. Ajustando com precisão o índice de refração e os formatos dos diferentes materiais usados em sua construção, eles podem bloquear, guiar ou intensificar comprimentos de onda específicos, de forma semelhante a como os semicondutores controlam os elétrons.

Até agora, esse controle, feito por meio de alterações de temperatura ou de campos magnéticos, tem sido estritamente espacial, ou estático no tempo.

O que a equipe conseguiu agora foi criar os primeiros cristais fotônicos temporais, nos quais as propriedades ópticas do material – refletividade e frequência de ressonância – são moduladas dinamicamente em escalas de tempo de picossegundos, comparáveis ao próprio ciclo de oscilação da luz.

“Ao estender os cristais fotônicos do espaço para o tempo, abrimos uma nova dimensão para o controle da luz – e um novo caminho para a amplificação e a emissão laser. Isso pode revolucionar as tecnologias ópticas em frequências de terahertz e além,” disse Guo.

Metamaterial plasmônico

Para abrir a possibilidade de alterar as propriedades dos fótons ao longo do tempo, a equipe precisou construir um dispositivo inovador, um tipo especial de cristal fotônico que eles chamam de metamaterial plasmônico.

Os meta-átomos do metamaterial são estruturas de ouro em escala micrométrica, entalhadas com formato de dentes de serra sobre uma camada dupla, a primeira isolante e a segunda feita de uma liga semicondutora de índio e antimônio. Essas microestruturas funcionam como cavidades que aprisionam os fótons entre a camada de ouro e a camada semicondutora, gerando ondas conhecidas como plásmons de superfície, nas quais os elétrons se comportam como uma espécie de onda coletiva capaz de capturar a luz e sustentar suas oscilações – elas são a base de um modo inovador de computação conhecido como plasmônica.

Quando pulsos de laser na frequência dos THz atingem o metamaterial, suas propriedades ópticas, particularmente a capacidade de refletir a luz, são moduladas de forma muito intensa nessas escalas de tempo muito curtas, algo muito difícil de se conseguir. É por isto que a equipe acredita que seu cristal do tempo fotônico pode “transformar a forma como usamos a luz na tecnologia, particularmente na faixa de terahertz”.