Físicos da Universidade do Texas em Dallas e seus colaboradores da Universidade de Yale demonstraram um sensor quântico inteligente e atomicamente fino que pode detectar simultaneamente todas as propriedades fundamentais de uma onda de luz recebida.
A pesquisa, publicada em 13 de abril na revista Nature , demonstra um novo conceito baseado em geometria quântica que pode ser usado em cuidados de saúde, exploração do espaço profundo e aplicações de sensoriamento remoto.

"Estamos entusiasmados com este trabalho porque normalmente, quando você quer caracterizar uma onda de luz, você tem que usar diferentes instrumentos para coletar informações, como intensidade, comprimento de onda e estado de polarização da luz. Esses instrumentos são volumosos e podem ocupar uma área significativa em uma mesa óptica", disse o Dr. Fan Zhang, autor correspondente do estudo e professor associado de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática.

"Agora temos um único dispositivo - apenas um chip minúsculo e fino - que pode determinar todas essas propriedades simultaneamente em um tempo muito curto", disse ele.

O dispositivo explora as propriedades físicas únicas de uma nova família de materiais bidimensionais chamados metamateriais moiré. Zhang, um físico teórico, publicou um artigo de revisão sobre esses materiais em 2 de fevereiro na Nature .

Os materiais 2D têm estruturas periódicas e são atomicamente finos. Se duas camadas de tal material são sobrepostas com uma pequena torção rotacional, um padrão moiré com uma periodicidade emergente de ordem de magnitude maior pode se formar. O metamaterial moiré resultante produz propriedades eletrônicas que diferem significativamente daquelas exibidas por uma única camada ou por duas camadas naturalmente alinhadas.

O dispositivo sensor que Zhang e seus colegas escolheram para demonstrar sua nova ideia incorpora duas camadas de grafeno de bicamada natural relativamente torcidas, para um total de quatro camadas atômicas.

“O metamaterial moiré exibe o que é chamado de efeito fotovoltaico em massa, o que é incomum”, disse Patrick Cheung, estudante de doutorado em física na UT Dallas e co-autor principal do estudo. "Normalmente, você tem que aplicar uma polarização de tensão para produzir qualquer corrente em um material. Mas aqui, não há nenhuma polarização; simplesmente iluminamos o metamaterial moiré, e a luz gera uma corrente através desse efeito fotovoltaico em massa. Tanto a magnitude quanto a fase da fotovoltagem são fortemente dependentes da intensidade da luz, comprimento de onda e estado de polarização."

Ao ajustar o metamaterial moiré, a fotovoltagem gerada por uma determinada onda de luz cria um mapa 2D exclusivo para essa onda – como uma impressão digital – e a partir do qual as propriedades da onda podem ser inferidas, embora seja um desafio, disse Zhang.

Pesquisadores do laboratório do Dr. Fengnian Xia na Universidade de Yale, que construíram e testaram o dispositivo, colocaram duas placas de metal, ou portões, em cima e embaixo do metamaterial moiré. As duas portas permitiram aos pesquisadores ajustar as propriedades geométricas quânticas do material para codificar as propriedades das ondas de luz infravermelha em "impressões digitais".

A equipe então usou uma rede neural convolucional – um algoritmo de inteligência artificial amplamente usado para reconhecimento de imagens – para decodificar as impressões digitais.

“Começamos com a luz para a qual conhecemos a intensidade, comprimento de onda e polarização, iluminamos o dispositivo e o ajustamos de maneiras diferentes para gerar impressões digitais diferentes”, disse Cheung. "Depois de treinar a rede neural com um conjunto de dados de cerca de 10.000 exemplos, a rede é capaz de reconhecer os padrões associados a essas impressões digitais. Uma vez que aprende o suficiente, pode caracterizar uma luz desconhecida."

Cheung realizou cálculos teóricos e análises usando os recursos do Texas Advanced Computing Center, uma instalação de supercomputadores no campus da UT Austin.

"Patrick tem sido bom em cálculos analíticos de lápis e papel - esse é o meu estilo - mas agora ele se tornou um especialista no uso de um supercomputador, que é necessário para este trabalho", disse Zhang. "Por um lado, nosso trabalho como pesquisadores é descobrir novas ciências. Por outro lado, nós, consultores, queremos ajudar nossos alunos a descobrir no que eles são melhores. Estou muito feliz que Patrick e eu descobrimos ambos." + Explorar mais

Um sensor quântico inteligente que detecta simultaneamente a intensidade, a polarização e o comprimento de onda da luz