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    Novos fenômenos exóticos vistos em cristais fotônicos

    Um desenho ilustra a paisagem topológica incomum em torno de um par de recursos conhecidos como pontos excepcionais (pontos vermelhos), mostrando o surgimento de um arco de Fermi (linha rosa no centro), e contornos de polarização exóticos que formam uma textura semelhante a uma faixa de Mobius (faixas superior e inferior). Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    Efeitos topológicos, como aqueles encontrados em cristais cujas superfícies conduzem eletricidade, enquanto seu volume não, têm sido um tópico estimulante da pesquisa em física nos últimos anos e foram o tema do Prêmio Nobel de Física de 2016. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares encontrou novos fenômenos topológicos em uma classe diferente de sistemas - sistemas abertos, onde energia ou material pode entrar ou ser emitido, em oposição a sistemas fechados sem tal troca com o exterior.

    Isso poderia abrir alguns novos domínios da pesquisa em física básica, a equipe diz, e pode levar a novos tipos de lasers e outras tecnologias.

    Os resultados estão sendo divulgados esta semana no jornal Ciência , em um artigo do recente graduado do MIT Hengyun "Harry" Zhou, Chao Peng (professor da Universidade de Pequim), professor visitante do MIT, Yoseob Yoon, estudante de pós-graduação do MIT, recém-formados pelo MIT Bo Zhen e Chia Wei Hsu, Professor do MIT Marin Soljačić, o professor de física Francis Wright Davis, John Joannopoulos, o Haslam e Dewey Professor de Química Keith Nelson, e Liang Fu, professor assistente de desenvolvimento de carreira de Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn.

    Na maioria das pesquisas no campo de efeitos físicos topológicos, Soljačić diz, os chamados sistemas "abertos" - em termos de física, estes são conhecidos como sistemas não hermitianos - não foram muito estudados em trabalhos experimentais. As complexidades envolvidas na medição ou análise de fenômenos nos quais energia ou matéria podem ser adicionadas ou perdidas por meio da radiação geralmente tornam esses sistemas mais difíceis de estudar e analisar de maneira controlada.

    Mas neste trabalho, a equipe usou um método que tornou esses sistemas abertos acessíveis, e "encontramos propriedades topológicas interessantes nesses sistemas não hermitianos, "Zhou diz. Em particular, eles encontraram dois tipos específicos de efeitos que são assinaturas topológicas distintas de sistemas não hermitianos. Um deles é um tipo de característica de banda a que se referem como arco de Fermi em massa, e o outro é um tipo incomum de mudança de polarização, ou orientação das ondas de luz, emitido pelo cristal fotônico usado para o estudo.

    Cristais fotônicos são materiais nos quais bilhões de minúsculos orifícios orientados e de formato muito preciso são feitos, fazendo com que a luz interaja de maneiras incomuns com o material. Esses cristais têm sido ativamente estudados pelas exóticas interações que induzem entre a luz e a matéria, que possuem o potencial para novos tipos de sistemas de computação baseados em luz ou dispositivos emissores de luz. Mas, embora grande parte dessa pesquisa tenha sido feita usando o sistema fechado, Sistemas hermitianos, a maioria dos aplicativos potenciais do mundo real envolve sistemas abertos, para que as novas observações feitas por esta equipe pudessem abrir áreas totalmente novas de pesquisa, dizem os pesquisadores.

    Arcos de Fermi, um dos fenômenos únicos que a equipe encontrou, desafie a intuição comum de que os contornos de energia são necessariamente curvas fechadas. Eles foram observados antes em sistemas fechados, mas nesses sistemas eles sempre se formam nas superfícies bidimensionais de um sistema tridimensional. No novo trabalho, pela primeira vez, os pesquisadores encontraram um arco de Fermi que reside na maior parte de um sistema. Este arco de Fermi em massa conecta dois pontos nas direções de emissão, que são conhecidos como pontos excepcionais - outra característica dos sistemas topológicos abertos.

    O outro fenômeno que observaram consiste em um campo de luz no qual a polarização muda de acordo com a direção da emissão, formando gradualmente uma meia torção conforme se segue a direção ao longo de um loop e retorna ao ponto inicial. "Conforme você gira em torno deste cristal, a polarização da luz realmente muda, "Zhou diz.

    Esta meia torção é análoga a uma tira de Möbius, ele explica, em que uma tira de papel é torcida meia volta antes de conectá-la à outra extremidade, criando uma banda que tem apenas um lado. Esta torção semelhante a Möbius na polarização da luz, Zhen diz, poderia, em teoria, levar a novas maneiras de aumentar a quantidade de dados que poderiam ser enviados por meio de links de fibra óptica.

    O novo trabalho é "principalmente de interesse científico, ao invés de tecnológico, "Soljačić diz. Zhen acrescenta que" agora temos esta técnica muito interessante para sondar as propriedades de sistemas não hermitianos ". Mas também existe a possibilidade de que o trabalho possa levar a novos dispositivos, incluindo novos tipos de lasers ou dispositivos emissores de luz, eles dizem.

    As novas descobertas foram possibilitadas por pesquisas anteriores feitas por muitos dos mesmos membros da equipe, em que eles encontraram uma maneira de usar a luz espalhada de um cristal fotônico para produzir imagens diretas que revelam os contornos de energia do material, em vez de calcular esses contornos indiretamente.

    "Tínhamos um palpite" de que esse comportamento de meia torção era possível e poderia ser "bastante interessante, "Soljačić diz, mas, na verdade, encontrá-lo exigiu "um pouco de pesquisa para descobrir, como fazemos isso acontecer? "

    "Talvez o aspecto mais engenhoso deste trabalho é que os autores usam o fato de que seu sistema deve necessariamente perder fótons, o que geralmente é um obstáculo e aborrecimento, para acessar a nova física topológica, "diz Mikael Rechtsman, um professor assistente de física na Universidade Estadual da Pensilvânia que não estava envolvido neste trabalho. "Sem a perda ... isso teria exigido métodos de fabricação 3D altamente complexos que provavelmente não seriam possíveis." Em outras palavras, ele diz, a técnica que desenvolveram "deu-lhes acesso à física 2-D que seria convencionalmente considerada impossível."

    Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.

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