Equipe de pesquisa estabelece dinâmica de dimensão sintética para manipular a luz
O aprendizado profundo permite a manipulação da luz em uma dimensão sintética. Crédito:Fotônica Avançada (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026005 No domínio da física, as dimensões sintéticas (SDs) surgiram como uma das fronteiras da pesquisa ativa, oferecendo um caminho para explorar fenômenos em espaços de dimensões superiores, além do nosso espaço geométrico 3D convencional. O conceito tem atraído atenção significativa, especialmente em fotônica topológica, devido ao seu potencial para desbloquear uma física rica inacessível em dimensões tradicionais.
Os pesquisadores propuseram várias estruturas teóricas para estudar e implementar SDs, visando aproveitar fenômenos como campos de calibre sintéticos, física quântica de Hall, sólitons discretos e transições de fase topológicas em quatro dimensões ou superiores. Essas propostas poderiam levar a novos entendimentos fundamentais em física.
Um dos principais desafios no espaço 3D convencional é a realização experimental de estruturas reticuladas complexas com acoplamentos específicos. Os SDs oferecem uma solução, fornecendo uma plataforma mais acessível para a criação de redes complexas de ressonadores com acoplamentos anisotrópicos, de longo alcance ou dissipativos. Esta capacidade já levou a demonstrações inovadoras de enrolamento topológico não-Hermitiano, simetria de tempo de paridade e outros fenômenos.
Uma variedade de parâmetros ou graus de liberdade dentro de um sistema, como modos de frequência, modos espaciais e momentos angulares orbitais, podem ser usados para construir SDs, promissores para aplicações em diversos campos, desde comunicações ópticas até lasers isolantes topológicos.
Um objetivo fundamental neste campo é a construção de uma rede "utópica" de ressonadores onde qualquer par de modos possa ser acoplado de maneira controlada. Alcançar esse objetivo requer manipulação precisa do modo dentro dos sistemas fotônicos, oferecendo caminhos para melhorar a transmissão de dados, a eficiência da coleta de energia e o brilho do conjunto de laser.
Confinamento de modo e transformação de modo topológico em uma dimensão sintética projetada por RNAs. (a) Ilustração das matrizes de modo com bordas periféricas de autovalores. (a1) Esboço da matriz de autovalores e modos próprios correspondentes. O arranjo do arranjo de acoplamento no espaço real é calculado por RNAs. (a2) A dinâmica de evolução modal em SD; o ponto laranja na coluna da esquerda indica o modo excitado. (a3) Dinâmica de propagação do feixe correspondente no espaço real. (b) Modificação de modo em uma rede não trivial projetada por RNAs. (b1) Ilustração de rede no espaço real e distribuição de autovalores correspondente. (b2) Evolução do modo durante a propagação em SD; zonas sombreadas indicam os bloqueios de acoplamento em SDs em diferentes regiões. (b3) Evolução da luz no espaço real e transformação em modo topológico; o gráfico à direita mostra a distribuição de intensidade média na região do guia de ondas reto. Crédito:Fotônica Avançada (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026005
Agora, conforme relatado em Fotônica Avançada , uma equipe internacional de pesquisadores criou conjuntos personalizáveis de guias de onda para estabelecer dimensões modais sintéticas. Este avanço permite o controle eficaz da luz em um sistema fotônico, sem a necessidade de recursos extras complicados, como não linearidade ou não hermiticidade.
O professor Zhigang Chen, da Universidade de Nankai, observa:“A capacidade de ajustar diferentes modos de luz dentro do sistema nos aproxima um passo de alcançar redes ‘utópicas’, onde todos os parâmetros de um experimento são perfeitamente controláveis”.
Em seu trabalho, os pesquisadores modulam perturbações (“frequências oscilantes”) para propagações que correspondem às diferenças entre os diferentes modos de luz. Para fazer isso, eles empregam redes neurais artificiais (RNAs) para projetar matrizes de guias de ondas no espaço real. As RNAs são treinadas para criar configurações de guias de ondas que possuem exatamente os padrões de modo desejados. Esses testes ajudam a revelar como a luz se propaga e fica confinada nas matrizes.
Finalmente, os pesquisadores demonstram o uso de RNAs para projetar um tipo especial de estrutura de rede fotônica chamada rede Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Esta rede possui uma característica específica que permite o controle topológico da luz em todo o sistema. Isto permite-lhes alterar o modo em que a luz viaja, mostrando as propriedades únicas das suas dimensões sintéticas.
A implicação deste trabalho é substancial. Ao ajustar as distâncias e frequências dos guias de ondas, os pesquisadores pretendem otimizar o projeto e a fabricação de dispositivos fotônicos integrados.
O professor Hrvoje Buljan, da Universidade de Zagreb, diz:"Além da fotônica, este trabalho oferece um vislumbre da física geometricamente inacessível. Ele é promissor para aplicações que vão desde o modo de laser até a óptica quântica e transmissão de dados."
Tanto Chen quanto Buljan observam que a interação da fotônica topológica e da fotônica de dimensão sintética potencializada pelas RNAs abre novas possibilidades para descobertas que podem levar a materiais e aplicações de dispositivos sem precedentes.
