Todas as estruturas físicas naturais e artificiais perdem energia, e os cientistas trabalham duro para eliminar essa perda ou compensá-la. Dispositivos ópticos e fotônicos perdem energia por meio da dispersão de luz, radiação ou absorção de material. Em algumas situações, Contudo, intencionalmente, mas com cuidado, projetar perdas em dispositivos e sistemas ópticos abertos pode levar a fenômenos físicos não convencionais que inspiram novos métodos para controle óptico e engenharia.

Lan Yang, o professor Edwin H. e Florence G. Skinner em Engenharia Elétrica e de Sistemas na Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis, e uma equipe que inclui A. Douglas Stone, o Professor Carl A. Morse de Física Aplicada e Física na Universidade de Yale, e seu laboratório descobriu novas abordagens para manipular a absorção de luz em ressonadores ópticos por diferentes tipos de perdas ópticas. Eles alcançaram uma degeneração de dois modos de absorção perfeitos e coerentes, o que leva a um espectro de absorção não convencionalmente alargado e à capacidade de alternar entre a absorção forte e fraca em uma banda de frequência ampla. O trabalho foi publicado em 9 de setembro, 2021, no Ciência .

A equipe de Yang usa uma plataforma experimental conhecida como microrressonadores de modo de galeria sussurrante (WGM), batizado em homenagem à famosa galeria de sussurros da Catedral de São Paulo em Londres, onde uma pessoa de um lado da galeria pode ouvir o sussurro de outra pessoa do outro lado da galeria. O dispositivo WGM óptico atua de forma semelhante, embora com frequências leves em vez de som. Essas estruturas suportam ressonâncias, ou seja, apenas luz com certa frequência pode permanecer em tal sistema por muito tempo. Como resultado da perda de absorção de material, a luz pode ser absorvida pelo ressonador. Avançar, um guia de onda de fibra é geralmente colocado tangencial à borda do ressonador para acoplar a luz para dentro ou para fora do ressonador. O acoplamento entre o ressonador e a fibra cria um canal de perda de acoplamento não dissipativo adicional, o que permite que a luz presa dentro do ressonador escape da fibra.

Os pesquisadores criaram dois microrressonadores WGM com diferentes perdas de absorção e acoplaram seus campos ópticos colocando-os próximos um do outro. Cada ressonador é acoplado a um guia de ondas de fibra. Alterando a lacuna entre os ressonadores e guias de ondas, eles foram capazes de ajustar a perda de acoplamento.

Em seu experimento, os pesquisadores alcançaram uma absorção perfeita da luz que entra dos canais de guia de ondas, uma situação chamada absorção perfeita coerente (CPA), otimizando a relação entre as duas perdas de acoplamento e as duas perdas de absorção. CPA é o tempo reverso do processo de laser - em vez de emitir a luz, o sistema absorve totalmente a luz iluminada sem qualquer emissão ou dispersão.

"Em geral, um sistema óptico com perdas é capaz de absorver a luz que entra, mas a absorção perfeita não pode ocorrer a menos que os parâmetros de perda, como a razão entre as perdas de absorção e acoplamento, é judiciosamente projetado e controlado, "Yang disse." Além do mais, para que a absorção perfeita aconteça, os feixes de laser de entrada devem oscilar em uma frequência exata e ser injetados a partir de dois canais de guia de ondas com uma proporção bem projetada de amplitudes e fases. "

Em um sistema com dois ressonadores ópticos, existem dois tipos de formas de onda que podem ser totalmente absorvidas, e eles acontecem em duas frequências diferentes. Portanto, o sistema geralmente se comporta como dois absorvedores perfeitos. Mas com uma otimização do acoplamento entre os ressonadores ajustados por seu gap, essas duas frequências e formas de onda se fundem fazendo algo não convencional acontecer. Ajustando o sistema a esse ponto, os pesquisadores pela primeira vez observaram uma forma de linha do espectro de saída que é mais ampla do que a forma de linha Lorentziana convencional.

"Quando os dois modos CPA se unem, o sistema atinge um tipo especial de degeneração que é referido como um ponto excepcional de absorção perfeita, "disse Changqing Wang, estudante de doutorado no laboratório de Yang e primeiro autor do artigo. "É fundamentalmente diferente de outros tipos convencionais de degenerescência encontrados em sistemas de ondas abertas. Parece que você tem dois absorvedores que operam na mesma frequência e absorvem perfeitamente o mesmo tipo de feixe. Mas o sistema se comporta de maneira muito diferente de um único absorvedor, nem simplesmente a soma de dois absorvedores. "

Com os modos de absorção perfeitos degenerados, alterando ligeiramente o atraso relativo dos dois feixes de laser que entram nos dois guias de ondas, a absorção do sistema pode variar dramaticamente de forte a fraca. Comparado ao absorvedor convencional, essa modulação ocorre em uma faixa de frequência mais ampla por causa do efeito da degenerescência não trivial no ponto excepcional de absorção perfeita. Este fenômeno não ocorre para um sistema sem perdas, ou sistemas que têm um equilíbrio de ganho e perda.

"Este trabalho traz um novo insight sobre como explorar diferentes tipos de perdas para manipular um sistema físico aberto, "Yang disse." No passado, a perda possibilitou muitos fenômenos físicos interessantes na óptica não hermitiana, sistemas acústicos e eletrônicos, mas há um grande potencial em alavancar os diferentes papéis de diferentes fontes de perda. Por exemplo, aqui neste trabalho, a perda de absorção de material desempenha um papel distinto da perda de acoplamento não dissipativo na adaptação da propriedade de espalhamento do sistema. Os vários tipos de perdas enriquecem os graus de liberdade da engenharia óptica. "

Esta descoberta da absorção perfeita degenerada não trivial da luz traz uma visão para várias aplicações em fotônica, acústica, eletrônica e sistemas quânticos, Yang disse. Os pontos excepcionais de absorção perfeita podem ser explorados para projetar sensores ópticos com sensibilidade ultra-alta para detecção de nanopartículas, medição de velocidade de rotação e imagem de bio-tecido.

"A pura necessidade de perda sem necessidade de ganho torna o design mais simples, mais acessibilidade, e mais estável, devido ao fato de que adicionar ganho aos dispositivos é sempre muito mais incômodo e traz ruído adicional que deteriora o desempenho do sistema, "Yang disse." A perda é onipresente na natureza, e por melhor entendê-lo, nós o tornamos mais útil. "