Pesquisadores de Würzburg e Londres conseguiram controlar o acoplamento da luz e da matéria à temperatura ambiente. Eles publicaram seus resultados em Avanços da Ciência .

Essa conquista é particularmente significativa, à medida que constrói as bases para a realização de tecnologias quânticas fotônicas práticas. Embora muitas demonstrações de processos quânticos ópticos exijam temperaturas criogênicas para proteger os estados quânticos, o presente trabalho eleva os processos quânticos à temperatura ambiente e introduz controlabilidade, que poderia contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos.

Uma partícula de luz (fóton) é gerada quando uma molécula excitada ou um ponto quântico retorna ao seu estado fundamental de baixa energia. Este processo é conhecido como emissão espontânea, e geralmente é irreversível, isto é, um fóton emitido não irá simplesmente retornar ao emissor para ser absorvido novamente.

Mas se o emissor estiver intimamente acoplado a um ressonador óptico, o fóton emitido permanece nas proximidades do emissor por um período de tempo suficientemente longo, aumentando consideravelmente suas chances de reabsorção. "Essa reversão da emissão espontânea é de grande importância para as tecnologias quânticas e processamento de informações, uma vez que facilita a troca de informações quânticas entre a matéria e a luz, preservando as propriedades quânticas de ambas, "diz o professor Ortwin Hess do Imperial College.

Essa troca de informações quânticas é, Contudo, geralmente só é possível em temperaturas muito baixas, que renderiza linhas espectrais de emissores de forma nítida, e, portanto, aumenta a probabilidade de absorção. As equipes dos professores Bert Hecht e Ortwin Hess conseguiram atingir um estado de forte acoplamento de luz e um único emissor quântico em temperatura ambiente.

Para alcançar a reabsorção de um fóton à temperatura ambiente, os pesquisadores usaram um nanorressonador plasmônico, na forma de uma fenda extremamente estreita em uma fina camada de ouro. "Este ressonador nos permite concentrar espacialmente a energia eletromagnética de um fóton armazenado em uma área não muito maior do que o próprio ponto quântico, "explica Heiko Groß, colega de trabalho do professor Hecht. Como resultado, o fóton armazenado é reabsorvido com alta probabilidade pelo emissor.

Embora ideias semelhantes já tenham sido implementadas por outros pesquisadores em sistemas como moléculas individuais, no estudo atual, os pesquisadores controlaram o acoplamento entre o ressonador e o emissor quântico, implementando um método que lhes permite mudar continuamente o acoplamento e, em particular, para ligá-lo e desligá-lo de maneira precisa. A equipe conseguiu isso anexando o nano-ressonador à ponta de um microscópio de força atômica. Dessa forma, eles são capazes de movê-lo com precisão nanométrica nas imediações do emissor - neste caso, um ponto quântico.

Com base em suas realizações, os pesquisadores agora esperam ser capazes de manipular de forma controlada o acoplamento do ponto quântico e o ressonador, não apenas alterando sua distância, mas também por meio de estímulos externos - possivelmente até por fótons únicos. Isso resultaria em novas possibilidades sem precedentes para computadores quânticos ópticos.

"É claramente um recurso muito útil que a troca de energia entre o ponto quântico e o ressonador aconteça de forma extremamente rápida, "diz Groß. Isso resolve o desafio de uma configuração de baixa temperatura:em temperaturas muito baixas, a oscilação de energia entre a luz e a matéria é significativamente retardada pelos longos tempos de armazenamento do ressonador.