Os humanos experimentam o mundo em três dimensões, mas uma colaboração no Japão desenvolveu uma maneira de criar dimensões sintéticas para entender melhor as leis fundamentais do universo e possivelmente aplicá-las a tecnologias avançadas.
Eles publicaram seus resultados hoje (28 de janeiro de 2022) em Avanços da ciência.
“O conceito de dimensionalidade tornou-se um elemento central em diversos campos da física e tecnologia contemporâneas nos últimos anos”, disse o autor do artigo Toshihiko Baba, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Yokohama. “Embora as investigações sobre materiais e estruturas de dimensões inferiores 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.”
Topologia refere-se a uma extensão da geometria que descreve matematicamente espaços com propriedades preservadas em distorção contínua, como a torção de uma tira de mobius. Quando combinados com a luz, de acordo com Baba, esses espaços físicos podem ser direcionados de uma maneira que permite aos pesquisadores induzir fenômenos altamente complicados.
No mundo real, de uma linha a um quadrado a um cubo, cada dimensão fornece mais informações, além de exigir mais conhecimento para descrevê-las 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 dimensões mais altas em dispositivos de dimensões mais baixas com complexidade reduzida, além de impulsionar funcionalidades críticas do dispositivo, como isolamento óptico no chip”, disse Baba.
Ressonador de anel fabricado usando fotônica de silício e modulado internamente gera uma escada de frequência. Crédito: Universidade Nacional de Yokohama
Os pesquisadores fabricaram uma dimensão sintética em um ressonador de anel de silício, usando a mesma abordagem usada para construir semicondutores de óxido de metal complementares (CMOS), um chip de computador que pode armazenar alguma memória. Um ressonador de anel aplica guias para controlar e dividir as ondas de luz de acordo com parâmetros específicos, como larguras de banda específicas.
De acordo com Baba, o dispositivo fotônico ressonador de anel de silício adquiriu um espectro óptico “comb-like”, resultando em modos acoplados correspondentes a um modelo unidimensional. Em outras palavras, o dispositivo produziu uma propriedade mensurável – uma dimensão sintética – que permitiu aos pesquisadores inferir informações sobre o resto do sistema.
Enquanto o dispositivo desenvolvido compreende um anel, mais podem ser empilhados para efeitos de cascata e caracterizar rapidamente os sinais de frequência óptica.
Criticamente, disse Baba, sua plataforma, mesmo com anéis empilhados, é muito menor e compacta do que as abordagens anteriores, que empregavam fibras ópticas conectadas a vários componentes.
“Uma plataforma de chip fotônico de silício mais escalável oferece um avanço considerável, pois permite que 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 novos aplicativos de dispositivos Baba disse.
A flexibilidade do sistema, incluindo a capacidade de reconfigurá-lo conforme necessário, complementa os espaços estáticos equivalentes no espaço real, o que pode ajudar os pesquisadores a contornar as restrições dimensionais do espaço real para entender fenômenos além das três dimensões, de acordo com Baba.
“Este trabalho mostra a possibilidade de que fotônica de dimensão topológica e sintética pode ser usada praticamente com uma plataforma de integração de fotônica de silício”, disse Baba. “Em seguida, planejamos coletar todos os elementos fotônicos de dimensão topológica e sintética para construir um circuito integrado topológico.”
Referência: “Estruturas de banda de dimensão sintética em uma plataforma fotônica Si CMOS” 28 de janeiro de 2022, Avanços da ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468
Outros colaboradores incluem Armandas Balčytis e Jun Maeda, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Nacional de Yokohama; Tomoki Ozawa, Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais, Universidade de Tohoku; e Yasutomo Ota e Satoshi Iwamoto, Institute for Nano Quantum Information Electronics, The University of Tokyo. A Ota também é afiliada ao Departamento de Física Aplicada e Físico-Informática da Universidade de Keio. Iwamoto também é afiliado ao Centro de Pesquisa para Ciência e Tecnologia Avançada e ao Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio.
A Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JP20H01845) e RIKEN apoiaram esta pesquisa.