Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) projetaram o espelho óptico mais leve que se possa imaginar. O novo metamaterial é feito de uma única camada estruturada que consiste em apenas algumas centenas de átomos idênticos. Os átomos são organizados na matriz bidimensional de uma rede óptica formada por feixes de laser interferentes. Os resultados da pesquisa são as primeiras observações experimentais desse tipo em um novo campo emergente de óptica quântica de comprimento de onda apenas recentemente com átomos ordenados. Até aqui, o espelho é o único de seu tipo. Os resultados são hoje publicados em Natureza .

Usualmente, os espelhos utilizam superfícies de metal altamente polidas ou vidros óticos com revestimento especial para melhorar o desempenho em pesos menores. Mas os físicos da MPQ agora demonstraram pela primeira vez que mesmo uma única camada estruturada de algumas centenas de átomos já poderia formar um espelho óptico, tornando-o o mais leve que se possa imaginar. O novo espelho tem apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura, que é mil vezes mais fino do que a largura de um cabelo humano. A reflexão, Contudo, é tão forte que pode até ser percebido com o olho humano puro.

O mecanismo por trás do espelho

O espelho funciona com átomos idênticos dispostos em uma matriz bidimensional. Eles são ordenados em um padrão regular com um espaçamento inferior ao comprimento de onda de transição óptica do átomo, características típicas e necessárias dos metamateriais. Metamateriais são estruturas projetadas artificialmente com propriedades muito específicas que raramente são encontradas naturalmente. Eles obtêm suas propriedades não dos materiais de que são feitos, mas das estruturas específicas com as quais foram projetados. As características - o padrão regular e o espaçamento do sub comprimento de onda - e sua interação são os dois funcionamentos cruciais por trás desse novo tipo de espelho óptico. Em primeiro lugar, o padrão regular e o espaçamento do sub comprimento de onda dos átomos suprimem um espalhamento difuso de luz, agrupando o reflexo em um feixe de luz unidirecional e constante. Segundo, por causa da distância comparativamente próxima e discreta entre os átomos, um fóton que chega pode saltar para frente e para trás entre os átomos mais de uma vez antes de ser refletido. Ambos os efeitos, a dispersão suprimida de luz e o salto dos fótons, levar a uma "resposta cooperativa aprimorada para o campo externo, "que significa neste caso:um reflexo muito forte.

Avanços no caminho para dispositivos quânticos mais eficientes

Com um diâmetro de cerca de sete mícrons, o espelho em si é tão pequeno que está muito além do reconhecimento visual. O aparelho em que o dispositivo é criado, Contudo, é enorme. Totalmente em grande estilo com outros experimentos ópticos quânticos, tem mais de mil componentes ópticos individuais e pesa cerca de duas toneladas. Portanto, o novo material dificilmente impactaria os espelhos de commodities que as pessoas usam diariamente. A influência científica do outro lado pode ser de longo alcance.

"Os resultados são muito empolgantes para nós. Como em conjuntos diluídos a granel típicos, correlações mediadas por fótons entre átomos, que desempenham um papel vital em nosso sistema, são normalmente negligenciados nas teorias de óptica quântica tradicionais. Por outro lado, arranjos ordenados de átomos feitos pelo carregamento de átomos ultracold em redes ópticas foram explorados principalmente para estudar simulações quânticas de modelos de matéria condensada. Mas agora acaba sendo uma plataforma poderosa para estudar os novos fenômenos ópticos quânticos também, "explica Jun Rui, Pesquisador pós-doutorado e primeiro autor do artigo.

Pesquisas adicionais ao longo deste enredo podem aprofundar a compreensão fundamental das teorias quânticas da interação luz-matéria, física de muitos corpos com fótons ópticos, e permitir a engenharia de dispositivos quânticos mais eficientes.

"Muitas novas oportunidades interessantes foram abertas, como uma abordagem intrigante para estudar optomecânica quântica, que é um campo crescente de estudo da natureza quântica da luz com dispositivos mecânicos. Ou, nosso trabalho também pode ajudar a criar melhores memórias quânticas ou até mesmo a construir um espelho óptico quântico comutável, "acrescenta David Wei, Pesquisador doutorado e segundo autor. "Ambos são avanços interessantes para o processamento de informações quânticas."