Uma colaboração de pesquisa internacional da Polônia, o Reino Unido e a Rússia criaram um sistema bidimensional - uma fina cavidade óptica cheia de cristal líquido - no qual prendem fótons. Como as propriedades da cavidade foram modificadas por uma voltagem externa, os fótons se comportaram como quasipartículas massivas dotadas de um momento magnético, chamado "spin, "sob a influência de um campo magnético artificial. A pesquisa foi publicada em Ciência na sexta, 8 de novembro de 2019.

O mundo ao nosso redor tem uma dimensão temporal e três dimensões espaciais. Os físicos que estudam a matéria condensada há muito tempo lidam com sistemas de dimensionalidade inferior - poços quânticos bidimensionais (2-D), fios quânticos unidimensionais (1-D) e pontos quânticos de dimensão zero (0-D). Os sistemas 2-D encontraram as mais amplas aplicações técnicas - é graças às dimensões reduzidas que LEDs e diodos laser eficientes, transistores rápidos em circuitos integrados, e amplificadores de rádio WiFi operam. Os elétrons presos em duas dimensões podem se comportar de maneira completamente diferente dos elétrons livres. Por exemplo, no grafeno, uma estrutura de carbono bidimensional com simetria de favo de mel, elétrons se comportam como objetos sem massa, isto é, partículas de luz chamadas fótons.

Os elétrons em um cristal interagem entre si e com a estrutura do cristal, criando um sistema complexo cuja descrição é possível graças à introdução do conceito das chamadas quasipartículas. Propriedades dessas quasipartículas, incluindo carga elétrica, momento magnético e massa, dependem da simetria do cristal e de sua dimensão espacial. Os físicos podem criar materiais com dimensões reduzidas, descobrindo "quase universos" cheios de quasipartículas exóticas. O elétron sem massa no grafeno bidimensional é um exemplo.

Essas descobertas inspiraram pesquisadores da Universidade de Varsóvia, a Universidade Militar de Tecnologia da Polônia, o Instituto de Física da Academia Polonesa de Ciências, a Universidade de Southampton e o Instituto Skolkovo perto de Moscou, para estudar a luz presa em estruturas bidimensionais - cavidades ópticas.

Os autores do Ciência o papel criou uma cavidade óptica na qual prendiam fótons entre dois espelhos. A ideia original era preencher a cavidade com um material de cristal líquido que funcionasse como meio óptico. Sob a influência de uma tensão externa, as moléculas desse meio podem girar e alterar o comprimento do caminho óptico. Por causa disso, foi possível criar ondas estacionárias de luz na cavidade, cuja energia (frequência de vibrações) era diferente quando o campo elétrico da onda (polarização) era direcionado através das moléculas e diferente para polarização ao longo de seu eixo (esse fenômeno é chamado de anisotropia óptica).

Durante a pesquisa, conduzido na Universidade de Varsóvia, o comportamento único dos fótons presos na cavidade foi encontrado, pois se comportavam como quasipartículas contendo massa. Essas quasipartículas foram observadas antes, mas eram difíceis de manipular porque a luz não reage a campos elétricos ou magnéticos. Desta vez, notou-se que conforme a anisotropia óptica do material de cristal líquido na cavidade foi alterada, os fótons presos se comportavam como quasipartículas dotadas de um momento magnético, ou um "spin" em um "campo magnético artificial". A polarização da onda eletromagnética desempenhou o papel de "giro" da luz na cavidade. O comportamento da luz neste sistema é mais fácil de explicar usando a analogia do comportamento dos elétrons na matéria condensada.

As equações que descrevem o movimento dos fótons presos na cavidade se assemelham às equações do movimento dos elétrons com spin. Portanto, foi possível construir um sistema fotônico que imita perfeitamente as propriedades eletrônicas e leva a muitos efeitos físicos surpreendentes, como estados topológicos da luz.

A descoberta de novos fenômenos relacionados ao aprisionamento de luz em cavidades opticamente anisotrópicas pode possibilitar a implementação de novos dispositivos optoeletrônicos, por exemplo. redes neurais ópticas e realizar cálculos neuromórficos. Há uma promessa particular para a perspectiva de criar um estado quântico único da matéria - o condensado de Bose Einstein. Esse condensado pode ser usado para cálculos e simulações quânticas, resolver problemas que são muito difíceis para os computadores modernos. Os fenômenos estudados abrirão novas possibilidades para soluções técnicas e futuras descobertas científicas.