Reunir forças opostas em um lugar é tão desafiador quanto você imagina que seja, mas os pesquisadores no campo da ciência óptica fizeram exatamente isso.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) criaram pela primeira vez um único dispositivo que atua como laser e anti-laser, e eles demonstraram essas duas funções opostas em uma freqüência dentro da banda de telecomunicações.

Suas descobertas, relatado em um artigo a ser publicado segunda-feira, 7 de novembro no jornal Nature Photonics , estabelecer as bases para o desenvolvimento de um novo tipo de dispositivo integrado com a flexibilidade de operar como um laser, um amplificador, um modulador, e um absorvedor ou detector.

"Em uma única cavidade óptica, alcançamos amplificação e absorção de luz coerente na mesma frequência, um fenômeno contra-intuitivo porque esses dois estados se contradizem fundamentalmente, "disse o investigador principal do estudo, Xiang Zhang, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. "Isso é importante para a modulação de alta velocidade dos pulsos de luz na comunicação óptica."

Invertendo o laser

O conceito de anti-lasers, ou absorvedor perfeito coerente (CPA), surgiu nos últimos anos como algo que inverte o que o laser faz. Em vez de amplificar fortemente um feixe de luz, um anti-laser pode absorver completamente os feixes de luz coerentes de entrada.

Embora os lasers já sejam onipresentes na vida moderna, aplicativos para anti-lasers - demonstrados pela primeira vez há cinco anos por pesquisadores da Universidade de Yale - ainda estão sendo explorados. Como os anti-lasers podem captar sinais coerentes fracos no meio de um fundo incoerente "ruidoso", ele poderia ser usado como um detector químico ou biológico extremamente sensível.

Um dispositivo que pode incorporar os dois recursos pode se tornar um bloco de construção valioso para a construção de circuitos integrados fotônicos, disseram os pesquisadores.

"O controle sob demanda da luz, desde a absorção coerente até a amplificação coerente, nunca foi imaginado antes, e continua sendo muito procurado pela comunidade científica, "disse o autor principal do estudo, Zi Jing Wong, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zhang. "Este dispositivo pode potencialmente permitir um contraste muito grande na modulação sem limites teóricos."

Os pesquisadores utilizaram tecnologia de nanofabricação sofisticada para construir 824 pares repetidos de materiais de ganho e perda para formar o dispositivo, que mede 200 micrômetros de comprimento e 1,5 micrômetros de largura. Um único fio de cabelo humano, por comparação, tem cerca de 100 micrômetros de diâmetro.

O meio de ganho foi feito de fosfeto de arseneto de gálio e índio, um material bem conhecido usado como um amplificador em comunicações ópticas. O cromo emparelhado com o germânio formou o meio de perda. A repetição do padrão criou um sistema ressonante no qual a luz salta para frente e para trás em todo o dispositivo para aumentar a magnitude de amplificação ou absorção.

Se for para enviar luz através de tal sistema de repetição de ganho-perda, um palpite é que a luz experimentará quantidades iguais de amplificação e absorção, e a luz não mudará de intensidade. Contudo, este não é o caso se o sistema satisfizer as condições de simetria de tempo de paridade, que é o principal requisito no design do dispositivo.

Equilíbrio e simetria

A simetria de paridade-tempo é um conceito que evolui da mecânica quântica. Em uma operação de paridade, posições são invertidas, como a mão esquerda se tornando a mão direita, ou vice-versa.

Agora adicione a operação de reversão do tempo, o que é semelhante a retroceder um vídeo e observar a ação ao contrário. A ação reversa do tempo de um balão inflando, por exemplo, seria o mesmo balão desinflando. Na ótica, a contraparte invertida no tempo de um meio de ganho de amplificação é um meio de perda absorvente.

Diz-se que um sistema que retorna à sua configuração original ao realizar as operações de paridade e reversão de tempo cumpre a condição de simetria de paridade-tempo.

Logo após a descoberta do anti-laser, os cientistas previram que um sistema exibindo simetria de tempo de paridade poderia suportar lasers e anti-lasers na mesma frequência no mesmo espaço. No dispositivo criado por Zhang e seu grupo, a magnitude do ganho e da perda, o tamanho dos blocos de construção, e o comprimento de onda da luz em movimento combinam-se para criar condições de simetria de tempo de paridade.

Quando o sistema está equilibrado e o ganho e a perda são iguais, não há amplificação ou absorção da luz. Mas se as condições forem perturbadas de modo que a simetria seja quebrada, amplificação e absorção coerentes podem ser observadas.

Nos experimentos, dois feixes de luz de igual intensidade foram direcionados para extremidades opostas do dispositivo. Os pesquisadores descobriram que ajustando a fase de uma fonte de luz, eles foram capazes de controlar se as ondas de luz gastavam mais tempo amplificando ou absorvendo materiais.

Acelerar a fase de uma fonte de luz resulta em um padrão de interferência que favorece o meio de ganho e a emissão de luz coerente amplificada, ou um modo de laser. Retardar a fase de uma fonte de luz tem o efeito oposto, resultando em mais tempo gasto no meio de perda e na absorção coerente dos feixes de luz, ou um modo anti-lasing.

Se a fase dos dois comprimentos de onda forem iguais e entrarem no dispositivo ao mesmo tempo, não há amplificação nem absorção porque a luz passa o mesmo tempo em cada região.

Os pesquisadores almejaram um comprimento de onda de cerca de 1, 556 nanômetros, que está dentro da faixa usada para telecomunicações ópticas.

"Este trabalho é a primeira demonstração de ganho e perda equilibrados que satisfazem estritamente as condições de simetria de tempo de paridade, levando à realização de lasing e anti-lasing simultâneos, "disse o co-autor do estudo Liang Feng, ex-pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Zhang, e agora é professor assistente de engenharia elétrica na Universidade de Buffalo. "A obtenção bem-sucedida de lasing e anti-lasing em um único dispositivo integrado é um passo significativo em direção ao limite máximo de controle de luz."