Físicos da Universidade de Rostock, do Cluster of Excellence ct.qmat, da Julius-Maximilians University of Würzburg e da Indiana University Indianapolis (IUPUI) mostraram pela primeira vez que a luz pode se propagar sem qualquer perda em sistemas que interagem com seu ambiente . Anteriormente, presumia-se que tais sistemas abertos exibiriam inevitavelmente amplificação ou amortecimento exponencial da luz e, assim, levariam à instabilidade do sistema.



Esses novos resultados foram publicados recentemente na Nature Materials . As descobertas podem se tornar a base para o desenvolvimento futuro de novos circuitos robustos para eletricidade, luz e ondas sonoras.

Seja descrevendo as órbitas dos planetas ou o funcionamento interno do átomo, um paradigma fundamental na física é a conservação da energia. Embora diferentes formas de energia possam ser convertidas umas nas outras, a quantidade total de energia é normalmente considerada constante ao longo do tempo. Portanto, os físicos geralmente tendem a garantir que o sistema que estão tentando descrever não interaja com seu ambiente.

No entanto, como se constata, a dinâmica de um sistema também pode ser estável se o ganho e a perda de energia forem distribuídos de uma forma sistemática, de modo que se anulem mutuamente sob todas as condições concebíveis, o que pode ser assegurado pela chamada paridade. simetria de tempo (PT).

Semelhante a um vídeo que é reproduzido ao contrário e simultaneamente é refletido em um espelho e ainda assim se parece exatamente com o vídeo original - ou seja, é simétrico ao PT - os componentes do sistema são organizados de tal forma que uma troca de ganho e perda de a luz através do espelhamento simultâneo e da reversão do tempo faz com que o sistema pareça inalterado.

Longe de ser uma noção puramente académica, a simetria PT abriu o caminho para uma compreensão mais profunda dos sistemas abertos.

Os fascinantes fenômenos físicos associados à simetria PT são especialidade do professor Alexander Szameit e sua equipe da Universidade de Rostock. Em seus chips fotônicos personalizados, a luz laser pode imitar o comportamento de materiais naturais e sintéticos dispostos em estruturas de rede periódica, tornando-os um ambiente de teste ideal para uma grande variedade de teorias físicas.

Desta forma, o Professor Szameit e a sua equipa conseguiram combinar a simetria PT com o conceito de topologia. A topologia estuda propriedades que não mudam apesar do sistema subjacente ser continuamente deformado. Tais propriedades tornam um sistema particularmente robusto contra influências externas.

Para seus experimentos, o grupo de pesquisa de Szameit usa guias de onda fotônicos inscritos a laser – estruturas ópticas escritas em um material por um feixe de laser. Nestes "circuitos de luz" são realizados os chamados isoladores topológicos. Szameit explica:"Esses isoladores têm atraído muita atenção nos últimos anos devido à sua fascinante capacidade de transmitir um fluxo de elétrons ou luz sem perdas ao longo de seus limites. A capacidade única de suprimir o impacto de defeitos e dispersão os torna particularmente interessantes para todos tipos de aplicações tecnológicas."

No entanto, até agora, tais estados fronteiriços robustos eram considerados fundamentalmente incompatíveis com sistemas abertos. No seu esforço conjunto, os investigadores de Rostock, Würzburg e Indianápolis conseguiram mostrar que o aparente paradoxo pode ser resolvido através da distribuição dinâmica de ganhos e perdas ao longo do tempo.

Primeiro primeiro autor, Ph.D. o estudante Alexander Fritzsche elabora:"A luz que se propaga ao longo da fronteira do nosso sistema aberto é como um caminhante atravessando um terreno montanhoso. Apesar de todos os altos e baixos, eles inevitavelmente terminarão de volta à elevação inicial do ponto de partida.

"Da mesma forma, a luz que se propaga dentro do canal de borda protegido do nosso isolador topológico simétrico PT nunca será exclusivamente amplificada ou amortecida e pode, portanto, manter sua amplitude média enquanto desfruta de toda a robustez proporcionada pela topologia."

Estas descobertas são uma contribuição importante para a compreensão fundamental de isoladores topológicos e sistemas abertos, e podem abrir as portas para uma nova geração de circuitos avançados para eletricidade, luz ou mesmo ondas sonoras.

Mais informações: Alexander Fritzsche et al, Isolador topológico fotônico simétrico de paridade no tempo, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade de Rostock