Pesquisadores da Skoltech, da Universidade da Islândia e da Universidade de Southampton demonstraram a formação de uma estranha entidade nunca antes vista do reino da física quântica:um aglomerado de vórtices ópticos com inversão periódica de carga. Estudos fundamentais de vórtices ópticos prometem aplicações em microscopia óptica, criptografia quântica, comunicação óptica de largura de banda aprimorada, computação analógica e tecnologia de pinças ópticas. A pesquisa foi publicada em Physical Review Letters e destaque na capa da edição.
Um vórtice óptico é a luz torcida como uma espiral em torno de seu eixo de propagação. Projetada sobre uma superfície plana, aparece como um anel com uma mancha escura no meio. Um vórtice tem a chamada carga topológica, que você pode pensar como um número que denota a velocidade com que está girando e em que direção.

O estudo recente relata como seus autores conseguiram induzir quatro desses vórtices como um cluster e detectaram que suas cargas variavam de maneira regular, alternando com um período de um quinto de um nanossegundo. Embora aglomerados de vórtices ópticos ou redes tenham sido observados antes, essa oscilação de carga rápida é relatada pela primeira vez.

O que torna os vórtices ópticos interessantes

Os vórtices ópticos oferecem uma oportunidade intrigante para superar a limitação de largura de banda das linhas de comunicação de fibra óptica. Existem apenas tantos canais de transmissão que você pode empacotar em uma fibra óptica, o que significa que há um limite de largura de banda. No entanto, dois vórtices, mesmo no mesmo comprimento de onda da luz, podem ser distinguidos por sua carga, de modo que ocupam canais distintos. Essa "multiplicação" de canais é conhecida como multiplexação.

Outra aplicação interessante são as pinças ópticas. São feixes de laser especialmente preparados para segurar ou manipular objetos microscópicos, como átomos, nanopartículas ou mesmo células biológicas. Usada desde a década de 1980, essa tecnologia de pinça poderia ser aprimorada usando vórtices ópticos, o que permitiria prender um objeto em um anel de luz e girá-lo, graças à natureza giratória do vórtice.

Como criar um cluster de vórtice óptico com inversão periódica de carga

Os experimentos foram conduzidos no Laboratório de Fotônica Híbrida da Skoltech, liderado pelo professor Pavlos Lagoudakis, vice-presidente de fotônica do Instituto. Os vórtices do estudo foram gerados em um sistema conhecido como microcavidade exciton-polaritons.

Nos experimentos, os pesquisadores usaram uma estrutura de microcavidade semicondutora – dois espelhos altamente refletores espaçados com poços quânticos entre eles. Isso permite a localização da luz e forte interação com o meio semicondutor, dando origem a quase-partículas chamadas polaritons – estados acoplados dos elétrons e buracos no material e os fótons no feixe de laser incidente.

"O problema era que tínhamos que garantir que a carga de cada vórtice fosse aleatória para começar e evoluiria livremente de acordo com as regras dinâmicas quânticas condensadas. Isso significa que o sistema organizaria espontaneamente seus vórtices, implicando em comportamento emergente. Então, não poderíamos simplesmente imprimir uma rede de vórtices em nosso sistema com um laser, porque isso criaria vórtices com cargas conhecidas e removeria qualquer espontaneidade", disse o primeiro autor do artigo, Skoltech Ph.D. estudante Kirill Sitnik, comentou.

"Nós excitamos polaritons com um feixe de laser em forma de anel. Na potência de excitação crítica, alguns dos polaritons localizados dentro de uma armadilha efetiva opticamente induzida, ocupando uma superposição de estados quantizados macroscópicos com vórtices auto-arranjados oscilando de forma periódica", o disse o PI Pavlos Lagoudakis do estudo. + Explorar mais

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