Cristais feitos de nós de luz desdobram-se no espaço e no tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/08/2025

A equipe detalhou toda a receita, da criação dos hópfions individuais à sua organização em matrizes 2D e, depois, em cristais 3D.
[Imagem: Wenbo Lin et al. - 10.1103/hh5s-cprt]

Cristal espaçotemporal

Uma equipe de Cingapura e do Japão idealizou um modo de organizar padrões exóticos de luz, semelhantes a nós de luz, para fabricar cristais de luz, estruturas similares aos sólidos mas com estruturas cristalinas que se repetem não apenas pelo espaço, mas também pelo tempo.

Esta nova versão de um cristal espaço-temporal, um híbrido dos cristais comuns e dos cristais do tempo, poderá ser criado não com átomos, mas com feixes de luz em duas cores diferentes, sendo a luz estruturada para criar texturas chamadas hópfions.

Hópfions são texturas topológicas tridimensionais cujos padrões internos de "rotação" se entrelaçam em laços fechados e interligados. Eles são essencialmente sólitons enrolados sobre si mesmos - o nome hópfion é uma contração de sóliton de Hopf -, lembrando que um sóliton é uma onda muito estável, que não se desmancha facilmente, não perdendo sua energia e nem o seu formato.

Os hópfions já foram teorizados ou observados em ímãs, em campos de luz e em cristais, mas anteriormente eram produzidos principalmente como objetos isolados.

Wenbo Lin e seus colegas descobriram agora como montá-los em matrizes ordenadas que se repetem periodicamente, como átomos em um cristal, só que aqui o padrão se repete tanto no tempo quanto no espaço.

Conceito de um cristal de espaço-tempo 3D de hópfions.
[Imagem: Wenbo Lin et al. - 10.1103/hh5s-cprt]

De hópfions isolados a cristais de hópfions

A chave para a criação desses cristais espaçotemporais é um campo de luz bicromático - de duas cores - cujo vetor elétrico traça um estado de polarização variável ao longo do tempo.

Sobrepondo cuidadosamente feixes com diferentes modos espaciais e polarizações circulares opostas, a equipe definiu um "pseudospin" que evolui em um ritmo controlado. Quando as duas cores são definidas em uma proporção simples, o campo pulsa com um período fixo, criando uma cadeia de hópfions que se repetem a cada ciclo.

Partindo dessa cadeia unidimensional, os pesquisadores idealizaram um modo de esculpir versões de ordem superior cuja força topológica pode ser ajustada para cima ou para baixo. É possível, por exemplo, ajustar um inteiro que conta quantas vezes os laços internos se enrolam e até mesmo inverter seu sinal trocando as duas cores de luz. Nas simulações computadorizadas rodadas pela equipe, os campos resultantes apresentam qualidade topológica quase ideal quando integrados ao longo de um período completo.

O próximo passo é passar dessas matrizes bidimensionais para cristais 3D de pleno direito, o que deverá ser feito usando uma rede de campo distante formada por um conjunto de minúsculos emissores com fase e polarização devidamente configuradas, todos operando em duas cores próximas. A rede se divide naturalmente em subcélulas com topologia local oposta, mas preserva um padrão limpo e alternado em toda a estrutura.

Usos avançados

Ainda está tudo na teoria, mas a receita dada pela equipe levará rapidamente à construção dos cristais espaçotemporais, sobretudo porque eles podem ter inúmeras aplicações práticas de grande impacto.

Texturas topológicas - como os skyrmions - já trouxeram inúmeras ideias para armazenamento de dados densos e com baixas taxas de erro, bem como para o roteamento de sinais.

Estender esse conjunto de ferramentas para cristais de hópfions, levando tudo para o campo da fotônica, com a característica velocidade e pequeno consumo de energia da luz, promete viabilizar de esquemas de codificação de alta dimensão e comunicações mais resistentes a interferências até novas estratégias de aprisionamento de átomos e de interações luz-matéria.

"O nascimento dos cristais de hópfions espaço-temporais," escreveram os autores, "abre caminho para o processamento de informações topológicas condensadas e robustas nos domínios óptico, terahertz e micro-ondas."

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