Cientistas da Rice University são conhecidos por pesquisas excepcionais, mas um novo artigo liderado pelo físico Junichiro Kono afirma isso de forma mais literal.

A descoberta de pontos excepcionais em um material único criado pelo laboratório de Kono é uma das várias revelações em um artigo que aparece em Nature Photonics .

Essas singularidades espectrais são centrais para outro fenômeno, a capacidade recém-descoberta da equipe de ajustar continuamente a transição entre o acoplamento fraco e ultra-forte da luz e da matéria confinada no vácuo. Essa capacidade pode dar aos pesquisadores a oportunidade de explorar novas tecnologias quânticas, como armazenamento avançado de informações ou lasers unidimensionais.

Kono e seus colegas têm experiência em encurralar fótons e excitons (pares elétron-buraco ligados) em sólidos para formar matéria condensada em um poço quântico. Eles relataram sua capacidade de fazer isso manipulando elétrons com luz e um campo magnético em 2016. No mesmo ano, eles anunciaram sua capacidade de fazer um alinhamento altamente, filmes do tamanho de wafer de nanotubos de carbono de parede única.

No novo trabalho, O pesquisador de pós-doutorado de Kono e Rice e autor principal Weilu Gao combinou técnicas de artigos anteriores e usou luz polarizada para desencadear a formação de quasipartículas conhecidas como polaritons - luz e matéria fortemente acopladas - dentro dos nanotubos unidimensionais em uma cavidade em temperatura ambiente. Como os polaritons só podem ressoar ao longo do comprimento dos nanotubos alinhados, eles aparecem quando a luz que entra é polarizada na mesma direção. Quando virado 90 graus, os polaritons desaparecem progressivamente.

O ângulo de polarização em que os polaritons aparecem e desaparecem é conhecido como o ponto excepcional, e nem Kono nem Gao consideraram isso importante até que um amigo teórico interveio.

"Descobrir o ponto era importante, e surpreendente, "Kono disse." Em nossa primeira versão do jornal, nós realmente não enfatizamos isso. Mas enquanto estava sendo revisado, mostramos os dados a um teórico e ele apontou, 'Você tem esta característica pontual de Dirac aqui.' Começamos a olhar com mais cuidado, e de fato houve um ponto excepcional. "

Os pontos de Dirac são uma característica do grafeno; eles aparecem onde as bandas de condução e valência do material se conectam para torná-lo um condutor perfeito de eletricidade. Em materiais semicondutores, a separação energética entre as bandas determina o gap do material.

Pontos excepcionais foram estudados em outros contextos; em experimentos recentes, os cientistas mostraram que a própria luz poderia ser retardada ou interrompida exatamente nesse ponto.

"Muitas das propriedades anômalas dos elétrons no grafeno estão relacionadas à existência deste ponto especial, chamado de ponto Dirac, ou ponto zero de energia, "Kono disse." A estrutura de banda do grafeno é completamente não tradicional em comparação com semicondutores sólidos como arseneto de gálio ou silício, que têm bandas de condução e valência que definem seu gap.

"No nosso caso, temos uma espécie de gap entre os polaritons superior e inferior quando a luz polarizada é paralela aos filmes, mas girar a polarização da luz muda tudo. Quando você atinge o ponto excepcional, o gap fecha e os polaritons desaparecem. "

Kono disse que o trabalho também demonstra que os nanotubos alinhados cooperam entre si. "A divisão de Rabi no vácuo (uma medida da força de acoplamento entre os fótons no vácuo e os elétrons no filme sólido) aumenta à medida que aumentamos o número de nanotubos, "disse ele." Esta é a evidência de que os nanotubos cooperam coerentemente enquanto interagem com os fótons da cavidade. "

Gao disse que o experimento de Rice sugere uma maneira que pode ser encontrada para criar fótons - partículas elementares de luz - a partir do vácuo. Isso pode ser importante para o armazenamento em nível quântico como uma forma de extrair dados dos qubits.

“Existem propostas teóricas para a conversão de fótons virtuais em fótons reais, às vezes chamados de fótons de Casimir, "Kono disse." Poderíamos ter matéria dentro de uma cavidade interagindo com o vácuo, e quando acionamos o sistema de alguma forma, destruímos o acoplamento, e de repente saem fótons. Esse é um experimento que queremos fazer, porque produzir fótons sob demanda a partir do vácuo seria legal. "