Qualquer pessoa que já tocou bateria, afinou uma guitarra, ou até mesmo fez uma taça de vinho "cantar" circulando um dedo ao longo de sua borda sabe sobre ressonância. Ressonadores acústicos, como a cavidade de um tambor ou uma taça de vinho pela metade, vibre naturalmente em certas frequências de ondas sonoras para produzir tons específicos. O fenômeno da ressonância também pode ser aplicado a ondas de luz, com ressonadores ópticos sendo componentes-chave de dispositivos como lasers e sensores.

Um estudo publicado em Natureza descreve um novo design para ressonadores ópticos que são mais eficazes na captura de luz, um passo fundamental importante para fazer dispositivos ópticos mais eficientes. O trabalho foi conduzido por Bo Zhen e Ph.D. o estudante Jicheng Jin da Penn e pesquisadores da Universidade de Pequim e do MIT.

Parte do que torna a luz tão difícil de capturar em um ressonador é que a luz é feita de ondas de alta frequência, o que significa que seus comprimentos de onda são extremamente pequenos - milhões de vezes menores do que as ondas acústicas que as pessoas ouvem todos os dias. Para prender essas pequenas ondas por muito tempo, os ressonadores ópticos devem ser não apenas incrivelmente pequenos, mas também extremamente precisos. “O problema é que a fabricação não é perfeita, "explica Zhen." Naturalmente, o processo de fabricação irá introduzir rugosidade na superfície e flutuações no design original, portanto, o dispositivo real na prática é sempre irregular. "

A natureza "irregular" e imperfeita dos ressonadores ópticos é o que atualmente limita o fator de qualidade de um dispositivo, ou a quantidade de tempo que o ressonador pode capturar a luz antes que as ondas desapareçam. Dadas as limitações na engenharia de tais dispositivos, os pesquisadores procuraram fazer um ressonador óptico que fosse menos sujeito a imperfeições inerentes.

Este trabalho foi baseado na pesquisa anterior de Zhen sobre a teoria das cargas topológicas, também conhecido como estados vinculados no continuum. Cargas topológicas se formam por interferência, um fenômeno de onda comum que pode ser visto quando as ondas se chocam umas com as outras e se somam para formar ondas maiores ou se cancelam. As cargas topológicas ocorrem quando as ondas de radiação que saem do dispositivo se cancelam, permitindo que o dispositivo contenha a energia da luz por mais tempo.

Com ideias da teoria de Zhen, os pesquisadores projetaram, simulado, e dispositivos ressonadores ópticos fabricados chamados placas de cristal fotônico, que são padronizados com buracos do tamanho de nanômetros espaçados uniformemente uns dos outros. O dispositivo deles ainda era "imperfeito, "com superfícies irregulares visíveis sob um microscópio eletrônico de varredura, mas a característica topológica única do projeto melhorou muito o fator de qualidade, ou a capacidade de capturar luz por um período de tempo muito mais longo do que de outra forma possível.

Uma característica única do dispositivo é que ele pode gerar nove cargas topológicas únicas. Cada carga separada então se funde em uma, causando um cancelamento ainda mais forte das ondas de radiação, captura de luz dentro do dispositivo por longos períodos de tempo.

A fusão das cargas foi um fenômeno que havia sido previsto em trabalhos anteriores, explica Zhen, mas o artigo mais recente do grupo forneceu uma forte compreensão teórica de seu efeito nos fatores de qualidade. "O fato de eles terem nove cargas se fundindo no mesmo ponto é uma característica única. No início, é bastante enganoso; você pode interpretá-lo de maneiras diferentes, e fomos desviados para outras direções. Eventualmente, pensando muito, tudo deu certo. "

Sua plataforma inovadora, com um fator de qualidade 10 vezes maior do que outros dispositivos que não usam cargas topológicas mescladas, pode levar a melhorias em várias aplicações baseadas em ótica. Além disso, os pesquisadores já demonstraram a usabilidade de sua abordagem em uma aplicação imediata do mundo real, já que o estudo analisou comprimentos de onda de luz que já estão sendo usados ​​para telecomunicações.

Graças às suas áreas complementares de especialização, da fabricação de dispositivos na Universidade de Pequim e física teórica na Penn, os cientistas foram capazes de desenvolver um simples, solução baseada na física para um desafio de engenharia não resolvido anteriormente.

"Melhora a qualidade sem otimizar a fabricação, "diz Jin, que recentemente obteve seu mestrado na Universidade de Pequim e agora é aluno de pós-graduação no laboratório de Zhen. "Você não precisa fazer um trabalho exigente para melhorar os métodos de fabricação; você só precisa escolher um design inteligente. Não há truques complicados, mas você pode ver uma melhora realmente grande. "