Primeiro dispositivo simulador quântico topológico em forte regime de interação luz-matéria para operar em temperatura ambiente

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Renderização do isolante topológico fotônico desenvolvido no estudo. Crédito:Instituto Politécnico Rensselaer

Pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute fabricaram um dispositivo do tamanho de um fio de cabelo humano que ajudará os físicos a investigar a natureza fundamental da matéria e da luz. Suas descobertas, publicadas na revista Nature Nanotechnology , poderia também apoiar o desenvolvimento de lasers mais eficientes, que são utilizados em áreas que vão da medicina à indústria.

O dispositivo é feito de um tipo especial de material denominado isolante topológico fotônico. Um isolador topológico fotônico pode guiar os fótons, as partículas onduladas que compõem a luz, para interfaces especificamente projetadas dentro do material, ao mesmo tempo que evita que essas partículas se espalhem pelo próprio material.

Devido a esta propriedade, os isoladores topológicos podem fazer com que muitos fótons atuem coerentemente como um fóton. Os dispositivos também podem ser usados como “simuladores quânticos” topológicos, laboratórios em miniatura onde os pesquisadores podem estudar fenômenos quânticos, as leis físicas que governam a matéria em escalas muito pequenas.

"O isolador topológico fotônico que criamos é único. Ele funciona à temperatura ambiente. Este é um grande avanço. Anteriormente, só era possível investigar esse regime usando equipamentos grandes e caros que superresfriam a matéria no vácuo. Muitos laboratórios de pesquisa não têm acesso para este tipo de equipamento, então nosso dispositivo poderia permitir que mais pessoas realizassem esse tipo de pesquisa básica em física no laboratório", disse Wei Bao, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da RPI e autor sênior do estudo.

"É também um passo promissor no desenvolvimento de lasers que requerem menos energia para operar, já que o limite do nosso dispositivo à temperatura ambiente - a quantidade de energia necessária para fazê-lo funcionar - é sete vezes menor do que os dispositivos de baixa temperatura desenvolvidos anteriormente. ", acrescentou Bao.

Os pesquisadores do RPI criaram seu novo dispositivo com a mesma tecnologia usada na indústria de semicondutores para fazer microchips, que envolve camadas de diferentes tipos de materiais, átomo por átomo, molécula por molécula, para criar uma estrutura desejada com propriedades específicas.

Para criar seu dispositivo, os pesquisadores cultivaram placas ultrafinas de haleto de perovskita, um cristal feito de césio, chumbo e cloro, e gravaram um polímero em cima delas com um padrão. Eles imprensaram essas placas de cristal e polímero entre folhas de vários materiais de óxido, eventualmente formando um objeto com cerca de 2 mícrons de espessura e 100 mícrons de comprimento e largura (o cabelo humano médio tem 100 mícrons de largura).

Quando os pesquisadores direcionaram uma luz laser para o dispositivo, um padrão triangular brilhante apareceu nas interfaces projetadas no material. Esse padrão, ditado pelo design do dispositivo, é resultado das características topológicas dos lasers.

"Ser capaz de estudar fenômenos quânticos à temperatura ambiente é uma perspectiva emocionante. O trabalho inovador do professor Bao mostra como a engenharia de materiais pode nos ajudar a responder algumas das maiores questões da ciência", disse Shekhar Garde, reitor da Escola de Engenharia RPI.

Mais informações: Condensação de polariton Hall do vale topológico, Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01674-6
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pelo Instituto Politécnico Rensselaer

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