A interação entre a luz e a matéria abrange um espectro impressionante de fenômenos, da fotossíntese às cores cativantes de arco-íris e asas de borboleta. Por mais diversas que sejam essas manifestações, eles envolvem um acoplamento de matéria leve muito fraco - em essência, a luz interage com o sistema material, mas não altera suas propriedades básicas. Um conjunto distintamente diferente de fenômenos surge, Contudo, para sistemas que são artificialmente projetados para maximizar o acoplamento de matéria leve. Em seguida, podem surgir estados quânticos intrigantes que não são nem luz nem matéria, mas um híbrido dos dois. Tais estados são de grande interesse de um ponto de vista fundamental, bem como para a criação de novas funcionalidades, por exemplo, para permitir interações entre fótons. Os acoplamentos mais fortes até hoje foram realizados com materiais semicondutores confinados a minúsculas cavidades fotônicas. Nestes dispositivos, o acoplamento é normalmente aumentado tornando a cavidade cada vez menor. Mas mesmo que os desafios de fabricação associados possam ser resolvidos, a abordagem está prestes a encontrar limites físicos fundamentais, como uma equipe liderada pelos professores Giacomo Scalari e Jérôme Faist no Institute of Quantum Electronics relatam em um artigo publicado hoje em Nature Photonics . Com este trabalho, eles estabelecem limites quantitativos para a miniaturização de tais dispositivos nanofotônicos.

De força em força ...

Nas últimas quatro décadas, várias plataformas foram desenvolvidas para alcançar um forte acoplamento entre a luz e a matéria. Entre eles, um pioneiro experimentalmente por Scalari no grupo Faist se destaca, nisso quase continuamente desde 2011, ele fornece um dos mais fortes acoplamentos de matéria leve realizados em todas as plataformas. Mais importante, no curso de estabelecer novos recordes, eles alcançaram o regime "ultra-forte", onde o acoplamento de matéria leve é ​​comparável às energias relevantes do sistema de matéria desacoplada, dando acesso a uma riqueza de novos fenômenos.

No coração de sua plataforma de estabelecimento de recorde estão os chamados ressonadores metálicos de anel dividido (veja a figura), em que os campos eletromagnéticos podem ser localizados em volumes extremamente pequenos, bem abaixo do comprimento de onda da luz - normalmente radiação terahertz (THz) - envolvida. As lacunas do tamanho de um micrômetro desses ressonadores são carregadas com poços quânticos semicondutores que possuem propriedades eletrônicas adequadas, para servir como o sistema de matéria. Uma rota natural para aumentar o acoplamento entre as excitações nos poços quânticos e a luz confinada no ressonador é, então, diminuir a largura da lacuna (d na figura). Mas o quão forte um acoplamento pode ser projetado dessa maneira permanece uma questão em aberto.

... mas dentro de limites

Shima Rajabali, um Ph.D. aluno do grupo de Scalari e Faist, graças aos poços quânticos cultivados por seu cientista sênior Mattias Beck e um estudo teórico de Simone De Liberato e Erika Cortese na Universidade de Southampton (Reino Unido), agora exploraram teórica e experimentalmente se há um limite físico fundamental para o confinamento de sub comprimento de onda em tais sistemas. A equipe descobriu que de fato existe:Se o campo eletromagnético for concentrado em volumes cada vez menores, então, em algum ponto, a própria natureza dos estados híbridos luz-matéria (no caso deles são conhecidos como polaritons) começa a mudar. Essa mudança fundamental nos recursos polaritônicos, por sua vez, impede um aumento adicional na força de acoplamento.

Essa limitação não é um cenário distante. Em dispositivos nanofotônicos de última geração, já foram encontradas assinaturas dessa mudança de paradigma. Apenas que não houve uma compreensão firme das razões subjacentes. Essa lacuna agora é preenchida por Rajabali et al. Também, sua estrutura recém-desenvolvida pode se aplicar não apenas aos dispositivos específicos que estudaram, mas para outros sistemas nano-ópticos também, por exemplo, aqueles baseados em grafeno ou dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), e para geometrias de ressonador que não sejam ressonadores de anel dividido. Como tal, o novo trabalho deve fornecer limites quantitativos gerais para o acoplamento de matéria leve.

Indo para fora do local

A fim de explorar as limitações para aumentar o acoplamento luz-matéria, diminuindo o volume do sub comprimento de onda ao qual a luz está confinada, a equipe desenvolveu uma estrutura teórica cujas previsões eles testaram experimentalmente e em simulações de computador. Uma descoberta importante foi que nas menores escalas de comprimento consideradas - eles examinaram dispositivos com lacunas de até 250 nanômetros de largura - surgiram efeitos não locais. Isto se deve ao fato de que abaixo de uma escala de comprimento crítica, como um grande momento no plano para as transportadoras é fornecido, o campo de luz fortemente confinado no ressonador acopla-se não apenas aos estados eletrônicos vinculados do poço quântico, mas para um contínuo de excitações de alto momento originadas de uma conhecida dispersão de plasmon bidimensional no poço quântico. Isso abre novos canais de perda, eventualmente mudando de maneira fundamental como a luz e a matéria interagem nesses dispositivos nanofotônicos.

Rajabali e colegas mostram que essa transformação em um regime governado por não-localidade polaritônica dá origem a fenômenos que não podem ser reproduzidos pelas teorias quânticas clássicas e lineares normalmente usadas para modelar a interação entre luz e matéria. Em outras palavras, podemos ter certeza de que ainda há muito a ser explorado na fascinante arena da interação luz-matéria.