Em novas pesquisas inovadoras, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela University of Minnesota Twin Cities desenvolveu um processo único para produzir um estado quântico que é parte luz e parte matéria.

A descoberta fornece novos insights fundamentais para o desenvolvimento mais eficiente da próxima geração de dispositivos ópticos e eletrônicos baseados em quantum. A pesquisa também pode ter um impacto no aumento da eficiência das reações químicas em nanoescala.

A pesquisa é publicada em Nature Photonics .

A ciência quântica estuda fenômenos naturais de luz e matéria em escalas menores. Neste estudo, os pesquisadores desenvolveram um processo único no qual alcançaram um "acoplamento ultra forte" entre a luz infravermelha (fótons) e a matéria (vibrações atômicas), capturando a luz em minúsculos, orifícios anulares em uma fina camada de ouro. Esses buracos eram tão pequenos quanto dois nanômetros, ou aproximadamente 25, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano.

Essas nanocavidades, semelhante a uma versão em grande escala dos cabos coaxiais que são usados ​​para enviar sinais elétricos (como o cabo que entra em sua TV), foram preenchidos com dióxido de silício, que é essencialmente o mesmo que o vidro da janela. Métodos de fabricação exclusivos, com base em técnicas desenvolvidas na indústria de chips de computador, possibilitar a produção de milhões dessas cavidades simultaneamente, com todos eles exibindo simultaneamente este acoplamento ultra-forte de fóton-vibração.

"Outros estudaram o forte acoplamento de luz e matéria, mas com este novo processo para projetar uma versão nanométrica de cabos coaxiais, estamos empurrando as fronteiras do acoplamento ultra forte, o que significa que estamos descobrindo novos estados quânticos onde matéria e luz podem ter propriedades muito diferentes e coisas incomuns começam a acontecer, "disse Sang-Hyun Oh, um professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Minnesota e o autor sênior do estudo. "Este acoplamento ultra forte de luz e vibrações atômicas abre todos os tipos de possibilidades para o desenvolvimento de novos dispositivos baseados em quantum ou modificação de reações químicas."

A interação entre a luz e a matéria é fundamental para a vida na Terra - permite que as plantas convertam a luz do sol em energia e nos permite ver os objetos ao nosso redor. Luz infravermelha, com comprimentos de onda muito maiores do que podemos ver com nossos olhos, interage com as vibrações dos átomos nos materiais. Por exemplo, quando um objeto é aquecido, os átomos que compõem o objeto começam a vibrar mais rápido, emitindo mais radiação infravermelha, permitindo câmeras de imagem térmica ou visão noturna.

Por outro lado, os comprimentos de onda da radiação infravermelha que são absorvidos pelos materiais dependem de quais tipos de átomos constituem os materiais e como eles estão dispostos, para que os químicos possam usar a absorção infravermelha como uma 'impressão digital' para identificar diferentes produtos químicos.

Essas e outras aplicações podem ser melhoradas aumentando a intensidade com que a luz infravermelha interage com as vibrações atômicas dos materiais. Esse, por sua vez, pode ser conseguido prendendo a luz em um pequeno volume que contém os materiais. Capturar a luz pode ser tão simples quanto fazê-la refletir para frente e para trás entre um par de espelhos, mas interações muito mais fortes podem ser realizadas se estruturas metálicas em escala nanométrica, ou 'nanocavidades, 'são usados ​​para confinar a luz em escalas de comprimento ultrapequenas.

Quando isso acontece, as interações podem ser fortes o suficiente para que a natureza mecânica quântica da luz e das vibrações entrem em ação. Sob tais condições, a energia absorvida é transferida para a frente e para trás entre a luz (fótons) nas nanocavidades e as vibrações atômicas (fônons) no material a uma taxa rápida o suficiente para que o fóton de luz e o fônon de matéria não possam mais ser distinguidos. Sob tais condições, esses modos fortemente acoplados resultam em novos objetos da mecânica quântica que são parte luz e parte vibração ao mesmo tempo, conhecido como polaritons.

Quanto mais forte a interação se torna, mais estranhos os efeitos da mecânica quântica que podem ocorrer. Se a interação se tornar forte o suficiente, pode ser possível criar fótons a partir do vácuo, ou para fazer com que as reações químicas ocorram de maneiras que, de outra forma, seriam impossíveis.

"É fascinante que, neste regime de acoplamento, vácuo não está vazio. Em vez de, ele contém fótons com comprimentos de onda determinados pelas vibrações moleculares. Além disso, esses fótons são extremamente confinados e são compartilhados por um pequeno número de moléculas, "disse o professor Luis Martin-Moreno do Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) na Espanha, outro autor do artigo.

"Normalmente, pensamos no vácuo como basicamente nada, mas acontece que essa flutuação de vácuo sempre existe, "Oh disse." Este é um passo importante para realmente aproveitar esta chamada flutuação de energia zero para fazer algo útil. "