Observação dos níveis de Landau no espectro de um cristal fotônico tenso. a, Estrutura de banda medida experimentalmente do padrão de favo de mel não tenso, mostrando o ponto de Dirac b, Estrutura de banda medida para o padrão tenso. O campo pseudomagnético uniforme criado pela deformação faz com que o ponto de Dirac se divida em conjuntos de níveis discretos de Landau. c, O espaçamento de energia no nível de Landau é uma função linear da resistência à deformação κ. d, os níveis de Landau encontram-se em energias proporcionais a √|𝑛|. Crédito:Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01425-y Ao contrário dos elétrons, as partículas de luz não têm carga, portanto não respondem aos campos magnéticos. Apesar disso, os pesquisadores agora fizeram experimentalmente a luz "sentir" efetivamente um campo magnético dentro de uma estrutura complicada chamada cristal fotônico, que é feito de silício e vidro.
Dentro do cristal, a luz gira em círculos e os pesquisadores observaram, pela primeira vez, que ela forma bandas de energia discretas chamadas níveis de Landau, que são paralelas a um fenômeno bem conhecido observado nos elétrons.
Esta descoberta pode apontar para novas formas de aumentar a interação da luz com a matéria, um avanço que tem potencial para melhorar as tecnologias fotónicas, como lasers muito pequenos.
Este trabalho, liderado por pesquisadores da Penn State, foi baseado em uma previsão teórica anterior dos membros da equipe, o professor de física da Penn State, Mikael Rechtsman, o estudante de pós-graduação da Penn State, Jonathan Guglielmon, e o matemático da Universidade de Columbia, Michael Weinstein.
Um artigo descrevendo os experimentos foi publicado em 23 de abril na revista Nature Photonics juntamente com outro artigo de um grupo separado de pesquisadores na Holanda, liderado por Ewold Verhagen, que observou de forma independente o mesmo fenômeno.
"Para partículas carregadas como os electrões, há muita física interessante que resulta das suas interacções com campos magnéticos," disse Rechtsman, líder da equipa de investigação. "Por causa disso, tem havido interesse em emular esta física para os fótons, que não são carregados e, portanto, não respondem aos campos magnéticos."
Quando os elétrons confinados a uma superfície bidimensional são expostos a um forte campo magnético, eles se movem em órbitas circulares, ou "cíclotron". O movimento dessas órbitas torna-se quantizado – os elétrons ficam restritos a certas energias discretas, que são chamadas de níveis de Landau.
"Os níveis de Landau são semelhantes aos níveis de energia dos orbitais de elétrons ao redor do núcleo de um átomo", disse Rechtsman. "Em um átomo, os níveis de energia resultam da atração de elétrons carregados negativamente para o núcleo carregado positivamente, enquanto os níveis de Landau resultam da interação dos elétrons com um campo magnético. Empregamos um método de emular um campo magnético - chamado pseudomagnético campo - para a luz, manipulando com precisão a estrutura de um cristal fotônico."
A equipe de pesquisa cria esses cristais em pequenas placas de silício, semelhantes às usadas para fazer chips de computador, no Laboratório de Nanofabricação do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Eles criam uma rede de buracos em forma de favo de mel dentro da placa de silício, que tem apenas 1/1000 da espessura de um fio de cabelo humano.
Os pesquisadores direcionam luz laser para a placa que contém o cristal, e o padrão de treliça faz com que parte da luz salte dentro do cristal. A equipe pode então medir o espectro da luz quando ela sai do cristal. Para imitar os efeitos de um campo magnético, os pesquisadores acrescentam uma “tensão” ao padrão da rede.
"Para a rede não deformada, fabricamos uma estrutura em favo de mel a partir de buracos triangulares em nanoescala que se repetem por todo o espaço em um padrão bidimensional", explicou Rechtsman. "Para adicionar tensão, fizemos outra laje, mas deformamos o padrão. O novo padrão parece que puxamos para cima nos dois lados, enquanto puxamos para baixo no lado inferior."
Quando os pesquisadores direcionam o laser para a rede não tensionada, a luz se espalha uniformemente no cristal. Na rede tensa, a luz se move em círculos e o espectro de energia da luz muda, formando faixas discretas, assim como os níveis de Landau. Ao contrário dos níveis de Landau nos elétrons, as bandas de energia não são planas. Em vez disso, eles são curvos, o que, segundo os pesquisadores, resulta do padrão curvo no cristal tenso.
“A natureza curva das bandas é conhecida como dispersão”, disse Rechtsman. "Para tentar mitigar a dispersão, adicionamos uma tensão adicional ao padrão. Essa tensão adicional, que atua como um potencial pseudoelétrico, neutraliza a dispersão, dando-nos níveis de Landau de banda plana, exatamente como os dos elétrons."
As bandas planas representam uma concentração de fótons em certas energias discretas, proporcionando um caminho para aumentar a interação da luz com a matéria.
“Há uma série de aplicações onde o aumento da interação da luz e da matéria pode melhorar a sua função”, disse Rechtsman. "Quando você tem faixas planas, isso significa que a luz permanece no mesmo lugar por mais tempo, o que significa que tudo o que você está tentando fazer com a luz, você pode fazer com mais eficiência. No momento, estamos investigando se podemos usar esse design para lasers mais eficientes em chips fotônicos."
