Pesquisadores da Universidade de Rostock desenvolveram um novo tipo de circuito fotônico não linear em que feixes de luz intensa podem definir seu próprio caminho e, ao fazer isso, tornam-se imunes a perturbações externas. Esta descoberta foi publicada recentemente no renomado jornal Ciência .

"Os fótons são um bando rebelde, "explica o professor Alexander Szameit, cujo grupo realizou as experiências inovadoras. "Assim que alguém consegue conduzi-los para um ponto específico no espaço e no tempo, eles imediatamente se dispersam mais uma vez em todas as direções. "De fato, séculos de pesquisas foram dedicados a moldar o fluxo de luz por vários meios:Lentes e espelhos curvos podem focalizar com precisão os raios do sol. Lasers poderosos geram feixes coerentes e pulsos curtos de luz intensa. E os cabos de fibra ótica fornecem quantidades surpreendentes de dados opticamente codificados em toda a rede mundial de computadores. Ainda, ondas de luz são entidades surpreendentemente delicadas:uma pequena rachadura em uma lente, uma partícula de poeira passando por um feixe de laser, ou uma torção na fibra pode perturbar os intrincados mecanismos que transformam a luz talvez na ferramenta mais versátil já aproveitada pela humanidade.

Isoladores topológicos eletrônicos - sólidos que não conduzem eletricidade dentro de seu volume, mas, ao mesmo tempo, são perfeitamente condutores ao longo de sua superfície - foram experimentalmente realizados pela primeira vez em 2007 por Laurens Molenkamp e sua equipe na Universidade de Würzburg. Suas contrapartes fotônicas fascinaram o Prof. Szameit por muito tempo. "Desde a nossa primeira implementação de um isolante topológico para luz, nos esforçamos para descobrir como esses sistemas peculiares podem ser utilizados, "lembra o físico.

Embora os isoladores topológicos fotônicos possam guiar a luz ao longo de caminhos precisamente definidos, e a estrutura matemática que sustenta seu design os dota com um grau sem precedentes de robustez em relação a imperfeições ou perturbações externas, essas propriedades procuradas também apresentam um obstáculo formidável. "Uma vez injetado em um canal topológico, pulsos de luz não sofrem perdas por espalhamento, mas este isolamento também os torna virtualmente impossíveis de controlar sem separá-los de seu ambiente protetor, O coautor Dr. Matthias Heinrich resume o desafio atualmente enfrentado pela comunidade científica.

Claro, no papel, a solução pode parecer óbvia. "Em princípio, é fácil. Tudo que você precisa é um interruptor que você pode girar à vontade para alterar instantaneamente as propriedades topológicas do sistema entre dois pulsos de luz, "ironiza Szameit. No entanto, a topologia está intrinsecamente ligada ao arranjo físico do circuito de guia de ondas, enquanto os pulsos de laser ultracurtos são medidos em femtossegundos (um milionésimo de bilionésimo de segundo) - muitas ordens de magnitude além do alcance até mesmo dos moduladores eletrônicos mais rápidos.

Em estreita colaboração com teóricos da Universidade de Rostock, o ICFO em Barcelona, a Universidade de Lisboa e o Instituto de Ciência e Tecnologia de Moscou, a equipe de jovens pesquisadores encontrou uma maneira de deixar a própria luz decidir se deve ativar a proteção topológica ou se comportar como se estivesse em um meio convencional. "Dependendo de sua intensidade de pico, pulsos ópticos podem se comportar de maneiras fundamentalmente diferentes, "elabora Lukas Maczewsky, Ph.D. aluno e principal autor do trabalho. "Não linearidade é a palavra mágica:na fotônica, às vezes, dois mais dois é realmente mais do que apenas quatro. "Após dois anos de intensa pesquisa e incontáveis ​​horas nos laboratórios do Instituto de Física da Universidade de Rostock, esses esforços deram frutos.

O isolador topológico induzido por não linearidade - um novo material sintético - permite que pulsos de luz acima de uma certa intensidade limite para estabelecer um domínio topológico transiente em sua vizinhança imediata. O autodeclarado fã de "Star Trek" Szameit pinta um quadro vívido da complexa física em jogo:"Assim como a U.S.S. Enterprise levanta seus escudos, o casulo protetor autogerado segue os pulsos de luz e os preserva ao longo do caminho escolhido. "

A colaboração internacional bem-sucedida avançou substancialmente a ciência fundamental no campo da óptica quântica e, em particular, na pesquisa de isoladores topológicos fotônicos. Até que essas peças possam ser montadas em um computador quântico óptico funcional - o Santo Graal perseguido por grupos em todo o mundo - vários desafios ainda precisam ser resolvidos. No entanto, a mais recente descoberta dos físicos é uma grande promessa para inúmeras aplicações inovadoras, como processamento de sinal totalmente óptico topologicamente protegido e redes neuronais fotônicas de autoaperfeiçoamento. Dado o rápido ritmo de progresso, essas ideias que hoje podem parecer ficção científica, logo poderia se tornar realidade.