Os cientistas descobriram uma maneira elegante de manipular a luz usando uma força Lorentz 'sintética' - que na natureza é responsável por muitos fenômenos fascinantes, incluindo a Aurora Boreal.

Uma equipe de físicos teóricos da Universidade de Exeter foi pioneira em uma nova técnica para criar campos magnéticos artificiais ajustáveis, que permitem que os fótons imitem a dinâmica de partículas carregadas em campos magnéticos reais.

A equipe acredita na nova pesquisa, publicado em jornal líder Nature Photonics , pode ter implicações importantes para dispositivos fotônicos futuros, pois fornece uma nova maneira de manipular a luz abaixo do limite de difração.

Quando partículas carregadas, como elétrons, passam por um campo magnético, eles sentem uma força de Lorentz devido à sua carga elétrica, que curva sua trajetória em torno das linhas do campo magnético.

Esta força de Lorentz é responsável por muitos fenômenos fascinantes, desde a bela aurora boreal, ao famoso efeito Quantum-Hall, cuja descoberta foi premiada com o Prêmio Nobel.

Contudo, porque os fótons não carregam uma carga elétrica, eles não podem ser controlados diretamente usando campos magnéticos reais, uma vez que não experimentam uma força de Lorentz; uma limitação severa que é ditada pelas leis fundamentais da física.

A equipe de pesquisa mostrou que é possível criar campos magnéticos artificiais para luz distorcendo metassuperfícies em favo de mel - superfícies 2-D ultrafinas que são projetadas para ter uma estrutura em uma escala muito menor do que o comprimento de onda da luz.

A equipe de Exeter foi inspirada por uma descoberta notável há dez anos, onde foi mostrado que os elétrons que se propagam através de uma membrana de grafeno esticada se comportam como se estivessem sujeitos a um grande campo magnético.

A principal desvantagem dessa abordagem de engenharia de deformação é que, para ajustar o campo magnético artificial, é necessário modificar o padrão de deformação com precisão, o que é extremamente desafiador, se não impossível, a ver com estruturas fotônicas.

Os físicos de Exeter propuseram uma solução elegante para superar essa falta fundamental de sintonia.

Charlie-Ray Mann, o cientista principal e autor do estudo, explica:"Essas metasuperfícies, suportam excitações híbridas de matéria leve, chamados polaritons, que estão presos na metassuperfície.

"Eles são então desviados pelas distorções na metassuperfície de maneira semelhante a como os campos magnéticos desviam as partículas carregadas.

"Explorando a natureza híbrida dos polaritons, mostramos que você pode ajustar o campo magnético artificial modificando o ambiente eletromagnético real em torno da metassuperfície. "

Para o estudo, os pesquisadores embutiram a metassuperfície entre dois espelhos - conhecida como cavidade fotônica - e mostram que é possível ajustar o campo magnético artificial mudando apenas a largura da cavidade fotônica, eliminando assim a necessidade de modificar a distorção na metassuperfície.

Charlie acrescentou:"Nós até mesmo demonstramos que você pode desligar o campo magnético artificial inteiramente em uma largura crítica de cavidade, sem ter que remover a distorção na metassuperfície, algo que é impossível fazer no grafeno ou em qualquer sistema que emule o grafeno.

"Usando este mecanismo, você pode dobrar a trajetória dos polaritons usando uma força semelhante a Lorentz sintonizável e também observar a quantização de Landau das órbitas do ciclotron polariton, em analogia direta com o que acontece com partículas carregadas em campos magnéticos reais.

"Além disso, mostramos que você pode reconfigurar drasticamente o espectro de nível de Landau do polariton simplesmente alterando a largura da cavidade. "

Dr. Eros Mariani, o supervisor principal do estudo, disse:"Ser capaz de emular fenômenos com fótons que geralmente são considerados exclusivos de partículas carregadas é fascinante de um ponto de vista fundamental, mas também pode ter implicações importantes para aplicações fotônicas.

"Estamos ansiosos para ver aonde essa descoberta nos levará, uma vez que coloca muitas questões intrigantes que podem ser exploradas em muitas plataformas experimentais diferentes em todo o espectro eletromagnético. "