Físicos da Chalmers University of Technology, na Suécia, junto com colegas na Rússia e na Polônia, conseguiram um acoplamento ultra forte entre a luz e a matéria à temperatura ambiente. A descoberta é importante para pesquisas fundamentais e pode abrir caminho para avanços em fontes de luz, nanomáquinas e tecnologia quântica.

Um conjunto de dois osciladores acoplados é um dos sistemas mais fundamentais e amplamente utilizados na física. É um modelo de brinquedo muito geral que descreve uma infinidade de sistemas, incluindo cordas de guitarra, ressonadores acústicos, a física dos balanços infantis, moléculas e reações químicas, sistemas gravitacionalmente ligados, e eletrodinâmica de cavidade quântica.

O grau de acoplamento entre os dois osciladores é um parâmetro importante que determina principalmente o comportamento do sistema acoplado. Contudo, não se sabe muito sobre o limite superior pelo qual dois pêndulos podem se acoplar - e que consequências esse acoplamento pode ter.

Os resultados recém-apresentados, publicado em Nature Communications , oferecem um vislumbre do domínio do chamado acoplamento ultra-forte, em que a força de acoplamento se torna comparável à frequência ressonante dos osciladores. O acoplamento neste trabalho é realizado através da interação entre luz e elétrons em um minúsculo sistema constituído por dois espelhos de ouro separados por uma pequena distância e nanobastões de ouro plasmônico. Em uma superfície cem vezes menor que a ponta de um fio de cabelo humano, os pesquisadores mostraram que é possível criar uma interação ultra-forte controlável entre a luz e a matéria em condições ambientais, ou seja, à temperatura ambiente e à pressão atmosférica.

"Não somos os primeiros a perceber o acoplamento ultraforte. Mas, de modo geral, campos magnéticos fortes, alto vácuo e temperaturas extremamente baixas são necessários para atingir tal grau de acoplamento. Quando você pode executá-lo em um laboratório comum, permite que mais pesquisadores trabalhem neste campo e fornece conhecimento valioso na fronteira entre a nanotecnologia e a óptica quântica, "diz Denis Baranov, pesquisador da Chalmers University of Technology e o primeiro autor do artigo científico.

Um dueto único onde luz e matéria se misturam em um objeto comum

Para entender o sistema que os autores realizaram, pode-se imaginar um ressonador, neste caso representado por dois espelhos de ouro separados por algumas centenas de nanômetros, como um tom único na música. Os nanobastões fabricados entre os espelhos afetam como a luz se move entre os espelhos e mudam sua frequência de ressonância. Em vez de soar como um único tom, no sistema acoplado, o tom se divide em dois:um tom mais baixo e um tom mais alto.

A separação de energia entre os dois novos tons representa a força da interação. Especificamente, no caso de acoplamento ultra-forte, a intensidade da interação é tão grande que se torna comparável à frequência do ressonador original. Isso leva a um dueto único em que luz e matéria se misturam em um objeto comum, formando quase-partículas chamadas polaritons. O caráter híbrido dos polaritons fornece um conjunto de propriedades óticas e eletrônicas intrigantes.

O número de nanobastões de ouro imprensados ​​entre os espelhos controla o quão forte é a interação. Mas ao mesmo tempo, ele controla a chamada energia do ponto zero do sistema. Ao aumentar ou diminuir o número de hastes, é possível fornecer ou remover energia do estado fundamental do sistema e, assim, aumentar ou diminuir a energia armazenada na caixa ressonadora.

A descoberta permite que os pesquisadores brinquem com as leis da natureza

Notavelmente, os autores mediram indiretamente como o número de nanobastões muda a energia do vácuo "ouvindo" os tons do sistema acoplado, ou seja, olhando para os espectros de transmissão de luz através dos espelhos com os nanobastões - e realizando matemática simples. Os valores resultantes acabaram por ser comparáveis ​​à energia térmica, o que pode levar a fenômenos observáveis ​​no futuro.

"Um conceito para a criação de acoplamento ultraforte controlável à temperatura ambiente em sistemas relativamente simples pode oferecer um ambiente de teste para a física fundamental. O fato de que essa energia de 'custos' de acoplamento ultraforte pode levar a efeitos observáveis, por exemplo, pode modificar a reatividade de produtos químicos ou as interações de van der Waals sob medida. O acoplamento ultraforte permite uma variedade de fenômenos físicos intrigantes, "diz Timur Shegai, Professor associado da Chalmers e último autor do artigo científico.

Em outras palavras, essa descoberta permite que os pesquisadores brinquem com as leis da natureza e testem os limites do acoplamento.

"Como o assunto é fundamental, aplicações potenciais podem variar. Nosso sistema permite atingir níveis ainda mais fortes de acoplamento, algo conhecido como acoplamento forte e profundo. Ainda não temos certeza de qual é o limite de acoplamento em nosso sistema, mas é claramente muito mais alto do que vemos agora. Mais importante, a plataforma que permite estudar o acoplamento ultraforte agora está acessível em temperatura ambiente, "diz Timur Shegai.