Imagem de microscopia eletrônica de um cristal fotônico. O diâmetro dos furos triangulares é de 300 nanômetros. A curvatura do conjunto de cristais impede o movimento das ondas de luz no cristal. Crédito:AMOLF Os pesquisadores da AMOLF, em colaboração com a Universidade de Tecnologia de Delft, conseguiram interromper as ondas de luz deformando o cristal fotônico bidimensional que as contém. Os pesquisadores mostram que mesmo uma deformação sutil pode ter um efeito substancial nos fótons do cristal. Isso se assemelha ao efeito que um campo magnético tem sobre os elétrons.
"Este princípio oferece uma nova abordagem para desacelerar campos de luz e, assim, aumentar sua força. Realizar isso em um chip é particularmente importante para muitas aplicações", diz o líder do grupo AMOLF, Ewold Verhagen.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista Nature Photonics . Simultaneamente, uma equipa de investigação da Universidade Estatal da Pensilvânia publicou um artigo na mesma revista sobre como demonstraram – independentemente da equipa holandesa – um efeito idêntico.
Manipular o fluxo de luz em um material em pequenas escalas é benéfico para o desenvolvimento de chips nanofotônicos. Para os elétrons, tal manipulação pode ser realizada por meio de campos magnéticos; a força de Lorentz orienta o movimento dos elétrons. No entanto, isso é impossível para os fótons porque eles não têm carga.
Pesquisadores do grupo de Forças Fotônicas da AMOLF estão em busca de técnicas e materiais que lhes permitam aplicar forças a fótons que se assemelhem aos efeitos de campos magnéticos.
Elétrons
"Procuramos inspiração na maneira como os elétrons se comportam nos materiais. Em um condutor, os elétrons podem, em princípio, mover-se livremente, mas um campo magnético externo pode impedir isso. O movimento circular causado pelo campo magnético interrompe a condução e, como tal, os elétrons podem só existem no material se tiverem energias muito específicas. Esses níveis de energia são chamados de níveis de Landau e são característicos dos elétrons em um campo magnético”, diz Verhagen.
"Mas, no material bidimensional grafeno - que consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em um cristal - esses níveis de Landau também podem ser causados por um mecanismo diferente de um campo magnético. Em geral, o grafeno é um bom condutor eletrônico , mas isso muda quando o conjunto de cristais é deformado, por exemplo, esticando-o como elásticos.
"Essa deformação mecânica interrompe a condução; o material se transforma em um isolante e, conseqüentemente, os elétrons ficam ligados aos níveis de Landau. Conseqüentemente, a deformação do grafeno tem um efeito semelhante sobre os elétrons em um material como um campo magnético, mesmo sem ímã. Perguntamos nós mesmos se uma abordagem semelhante também funcionaria para fótons."
Cristal fotônico
Numa colaboração com Kobus Kuipers da Universidade de Tecnologia de Delft, o grupo de Verhagen demonstrou de facto um efeito semelhante para a luz num cristal fotónico.
"Um cristal fotônico normalmente consiste em um padrão regular - bidimensional - de buracos em uma camada de silício. A luz pode se mover livremente neste material, assim como os elétrons no grafeno, "diz o primeiro autor René Barczyk, que defendeu com sucesso seu doutorado. tese sobre este tema em 2023. "Quebrar essa regularidade exatamente da maneira correta deformará o array e, consequentemente, bloqueará os fótons. É assim que criamos níveis de Landau para fótons."
Nos níveis de Landau, as ondas de luz não se movem mais; eles não fluem através do cristal, mas ficam parados. Os pesquisadores conseguiram demonstrar isso, mostrando que a deformação do conjunto de cristais tem um efeito semelhante sobre os fótons como o campo magnético sobre os elétrons.
Verhagen diz:"Ao brincar com o padrão de deformação, conseguimos até estabelecer vários tipos de campos magnéticos efetivos em um material. Como resultado, os fótons podem se mover através de certas partes do material, mas não em outras. Portanto, esses insights também fornecem novas maneiras de direcionar a luz em um chip."
Experiências simultâneas
O trabalho de Verhagen e sua equipe foi inspirado em previsões teóricas de pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia e da Universidade de Columbia. Verhagen lembra:"Quando estávamos fazendo nossas primeiras medições, conversei com um dos autores deste outro estudo. Quando descobri que eles também estavam procurando evidências experimentais do efeito, decidimos não competir para sermos os primeiros publicar, mas sim submeter o trabalho simultaneamente à editora."
Embora alguns detalhes na abordagem fossem diferentes, ambas as equipes foram capazes de impedir o movimento das ondas de luz e observar os níveis de Landau deformando um cristal fotônico bidimensional.
“Isso aproxima as aplicações on-chip”, diz Verhagen. "Se pudermos confinar a luz em nanoescala e pará-la assim, sua força será tremendamente aumentada. E não apenas em um local, mas em toda a superfície do cristal. Essa concentração de luz é muito importante em dispositivos nanofotônicos, por exemplo para o desenvolvimento de lasers eficientes ou fontes de luz quântica."
