Em 2015, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram o primeiro metamaterial on-chip com índice de refração zero, o que significa que a fase da luz pode ser esticada infinitamente. O metamaterial representou um novo método para manipular a luz e foi um passo importante para os circuitos fotônicos integrados, que usam luz em vez de elétrons para realizar uma ampla variedade de funções.

Agora, Os pesquisadores do SEAS levaram essa tecnologia ainda mais longe - desenvolvendo um guia de onda de índice zero compatível com as atuais tecnologias fotônicas de silício. Ao fazer isso, a equipe observou um fenômeno físico que geralmente não pode ser observado - uma onda estacionária de luz.

A pesquisa é publicada em ACS Photonics . O Harvard Office of Technology Development entrou com um pedido de patente e está explorando oportunidades de comercialização.

Quando um comprimento de onda de luz se move através de um material, suas cristas e vales se condensam ou esticam, dependendo das propriedades do material. O quanto as cristas de uma onda de luz são condensadas é expresso como uma razão chamada índice de refração - quanto maior o índice, quanto mais espremido o comprimento de onda.

Quando o índice de refração é reduzido a zero, a luz não se comporta mais como uma onda em movimento, viajando pelo espaço em uma série de cristas e vales, também conhecido como fases. Em vez de, a onda é esticada infinitamente, criando uma fase constante. A fase oscila apenas como uma variável de tempo, não espaço.

Isso é empolgante para a fotônica integrada porque a maioria dos dispositivos ópticos usa interações entre duas ou mais ondas, que precisam se propagar em sincronia à medida que se movem pelo circuito. Se o comprimento de onda for infinitamente longo, combinar a fase dos comprimentos de onda da luz não é um problema, uma vez que os campos ópticos são os mesmos em todos os lugares.

Mas após a descoberta inicial de 2015, a equipe de pesquisa encontrou um catch-22. Como a equipe usou prismas para testar se a luz no chip foi de fato infinitamente esticada, todos os dispositivos foram construídos em forma de prisma. Mas os prismas não são formas particularmente úteis para circuitos integrados. A equipe queria desenvolver um dispositivo que pudesse se conectar diretamente aos circuitos fotônicos existentes e, para isso, a forma mais útil é um fio reto ou guia de ondas.

Os pesquisadores, liderados por Eric Mazur, o Professor Balkanski de Física - construiu um guia de ondas, mas, sem a ajuda de um prisma, não tinha uma maneira fácil de provar se tinha um índice de refração igual a zero.

Então, os pós-doutorandos Orad Reshef e Philip Camayd-Muñoz tiveram uma ideia.

Usualmente, um comprimento de onda de luz é muito pequeno e oscila muito rapidamente para medir qualquer coisa, exceto uma média. A única maneira de realmente ver um comprimento de onda é combinar duas ondas para criar interferência.

Imagine as cordas de um violão, preso em ambos os lados. Quando uma corda é puxada, a onda viaja através da corda, atinge o pino do outro lado e é refletido de volta - criando duas ondas que se movem em direções opostas com a mesma frequência. Esse tipo de interferência é chamado de onda estacionária.

Reshef e Camayd-Muñoz aplicaram a mesma ideia à luz no guia de ondas. Eles "fixaram" a luz lançando feixes em direções opostas através do dispositivo para criar uma onda estacionária. As ondas individuais ainda oscilavam rapidamente, mas oscilavam na mesma frequência em direções opostas, significando que em certos pontos eles se cancelaram e outros pontos eles somaram, criando um padrão totalmente claro ou totalmente escuro. E, por causa do material de índice zero, a equipe foi capaz de esticar o comprimento de onda grande o suficiente para ver.

Esta pode ser a primeira vez que uma onda estacionária com comprimentos de onda infinitamente longos foi vista.

"Pudemos observar uma demonstração de tirar o fôlego de um índice zero, "disse Reshef, que recentemente aceitou um cargo na Universidade de Ottawa. "Ao se propagar por meio de um meio com um índice tão baixo, esses recursos de onda, que em luz são normalmente muito pequenos para serem detectados diretamente, são expandidos para que você possa vê-los com um microscópio comum. "

"Isso adiciona uma ferramenta importante à caixa de ferramentas fotônica de silício, "disse Camayd-Muñoz." Há física exótica no regime de índice zero, e agora estamos trazendo isso para a fotônica integrada. Essa é uma etapa importante, porque significa que podemos nos conectar diretamente a dispositivos ópticos convencionais, e encontrar usos reais para fenômenos de índice zero. No futuro, os computadores quânticos podem ser baseados em redes de átomos excitados que se comunicam por meio de fótons. O intervalo de interação dos átomos é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz. Ao aumentar o comprimento de onda, podemos permitir interações de longo alcance para aumentar os dispositivos quânticos. "