Anel de luz permite simular múltiplas dimensões

Com informações da Universidade de Yokohama - 08/02/2022

Ressonador em anel fabricado usando fotônica de silício e modulado internamente para gerar uma escada de frequências, correspondente a um sistema 1D.
[Imagem: Armandas Balcytis et al. - 10.1126/sciadv.abk0468]

Dimensões artificiais

Os humanos experimentamos o mundo em três dimensões, mas já criamos muitas teorias que falam de mundos multidimensionais - uma quinta dimensão poderia explicar a matéria escura, por exemplo - e até de multiversos.

Agora, uma equipe da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveu uma maneira de criar "dimensões sintéticas", ou artificiais, trazendo para o reino 3D o que as ferramentas matemáticas já nos permitem fazer nas teorias há muito tempo.

A expectativa é que essa nova ferramenta nos ajude a entender melhor as leis fundamentais do Universo e, possivelmente, aplicá-las a tecnologias avançadas.

"O conceito de dimensionalidade tornou-se um elemento central em diversos campos da física e da tecnologia contemporâneas nos anos recentes," explica o professor Toshihiko Baba. "Embora as investigações sobre materiais e estruturas de menor dimensão tenham sido frutíferas, os rápidos avanços na topologia descobriram uma abundância adicional de fenômenos potencialmente úteis, dependendo da dimensionalidade do sistema, indo até além das três dimensões espaciais disponíveis no mundo ao nosso redor."

A topologia refere-se a uma extensão da geometria que descreve matematicamente espaços com propriedades preservadas em distorção contínua, como a torção de uma fita de Móbius. Quando combinados com a luz, esses espaços físicos podem ser direcionados de uma maneira que permite aos pesquisadores induzir fenômenos altamente complicados.

• Transístor topológico consome 10 vezes menos energia que transístor de silício

A saída do dispositivo permite inferir suas características internas.
[Imagem: Armandas Balcytis et al. - 10.1126/sciadv.abk0468]

Um anel por dimensão

No mundo real, de uma linha (1D) a um quadrado (2D) e a um cubo (3D), cada dimensão fornece mais informações, além de exigir mais conhecimento para serem descritas com precisão. Na fotônica topológica, os pesquisadores podem criar dimensões adicionais de um sistema, permitindo mais graus de liberdade e manipulação multifacetada de propriedades antes inacessíveis.

"As dimensões sintéticas tornaram possível explorar conceitos de maior número de dimensões em dispositivos de dimensões inferiores, com complexidade reduzida, bem como o controle de funcionalidades críticas do dispositivo, como isolamento óptico dentro de um chip," citou Baba.

A novidade trazida pela equipe usa estas mesmas ferramentas fotônicas, criando uma dimensão artificial em um anel ressonador de silício, usando a tradicional técnica CMOS da microeletrônica - um ressonador em anel usa guias de onda para controlar e dividir as ondas de luz de acordo com parâmetros específicos, como cores.

Esse "criador de dimensões" foi fabricado de forma a gerar espectro óptico similar a um pente de frequências, o que equivale a um modo acoplado correspondente a um modelo unidimensional. Em outras palavras, o dispositivo produz uma propriedade mensurável - uma dimensão sintética - que dá informações sobre o resto do sistema.

Basta então ir empilhando os anéis ressonadores para criar sistemas 2D, 3D e assim por diante.

O grande ganho, segundo Baba, é que essa plataforma, mesmo com anéis empilhados, é muito menor e mais compacta do que as abordagens usadas até agora, que empregam fibras ópticas conectadas a vários componentes em grandes mesas.

"Uma plataforma de chip fotônico de silício mais escalonável fornece um avanço considerável, permitindo que [componentes] fotônicos com dimensões sintéticas se beneficiem da caixa de ferramentas de fabricação comercial CMOS madura e sofisticada, ao mesmo tempo em que cria os meios para que fenômenos topológicos multidimensionais sejam introduzidos em novas aplicações," concluiu Baba.

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