Topolariton: quasipartícula é meio matéria, meio luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/10/2015

A quasipartícula surge na superfície de materiais sólidos e pode transportar os fótons em meios onde a luz normalmente não viaja. [Imagem: T. Karzig et al. - 10.1103/PhysRevX.5.031001]

Mistura de luz e matéria

Os polaritons são quasipartículas bem conhecidas dos físicos, e já fazem parte de vários experimentos com vistas a aplicações práticas, sobretudo nos campos da spintrônica e da fotônica.

Em 2007, uma equipe norte-americana conseguiu produzir um superfluido de polaritons, um estado da matéria que mescla raios laser com supercondutores.

Agora, físicos do Instituto de Tecnologia da Califórnia previram a existência de um novo tipo de quasipartícula similar, mas que seria metade luz, metade matéria.

Essa quasipartícula, batizada de "topolariton", está envolvida em uma série de eventos essenciais em dispositivos que vão das células solares e dos amplificadores ópticos, até os leitores de códigos de barras.

O que é topolariton

O topolariton é um polariton topológico, ou seja, uma quasipartícula cuja existência se limita à superfície dos materiais. Não por acaso, materiais com características superficiais especiais, chamados isolantes topológicos, estão entre os mais estudados na atualidade pelos grupos que buscam um novo paradigma para o suporte de hardware de toda a tecnologia da informação.

Quasipartículas são entidades que apresentam algumas - mas não todas - as características das partículas elementares, como os elétrons e os quarks que formam os átomos. Elas são classificadas como "fenômenos emergentes", que surgem em decorrência do comportamento dinâmico dos materiais sólidos onde surgem.

Alguns exemplos de quasipartículas incluem os fônons ("pacotes" de átomos ou moléculas que vibram coletivamente e que explicam a difusão do calor e do som, por exemplo), os sólitons (pacotes de ondas solitárias que mantêm a forma enquanto se movem a uma velocidade constante) e os excitons (formados quando um elétron se une a uma lacuna).

Os polaritons, por sua vez, surgem da interação dos fótons com os excitons, e os topolaritons são polaritons que surgem na superfície dos materiais e parecem se mover sempre na mesma direção.

Como os topolaritons são parte matéria e parte luz - um fóton que se une a um exciton, ou seja, a um elétron e uma lacuna -, eles poderão ser guiados e controlados com refletores ou com regiões especiais - regiões com hiatos de energia - do meio óptico através do qual viajam, meios estes nos quais os fótons não conseguem viajar sozinhos - mas conseguem viajar quando mesclados com os excitons.

Aparato experimental proposto pela equipe para a observação direta dos topolaritons, envolvendo poços quânticos incorporados em um guia de ondas. [Imagem: T. Karzig et al. - 10.1103/PhysRevX.5.031001]

Degradação de sinais

Ao viajar pelos semicondutores usados nos circuitos eletrônicos, os elétrons perdem energia na forma de calor por causa da resistência elétrica desses semicondutores.

Isto não acontece com os sinais de luz, mas pode haver outras causas de perda de sinal na transmissão por luz, como a reflexão e o espalhamento dos fótons. Os cálculos teóricos indicam que os topolaritons podem reduzir essa degradação dos sinais ópticos e aumentar a estabilidade dos fótons à medida que eles avançam ao longo das bordas dos semicondutores.

Outra característica muito útil é que a direção do movimento de um topolariton pode ser revertida através da aplicação de um campo magnético. "Isso seria como um filtro de mão única para a luz, proporcionando uma comunicação direcional com o mínimo de perda de energia," disse Gil Refael, um dos físicos que descreveu teoricamente o topolariton.

Conexão entre fotônica e eletrônica

Agora é esperar pela observação direta dos topolaritons e que eles sejam domados para aplicações práticas.

"Nós vamos precisar criar algumas novas interfaces entre o mundo fotônico e o mundo eletrônico," explica Refael. "Um dos desafios é construir guias de onda de mão única para a luz visível. Os topolaritons fornecem uma rota para esses dispositivos usando a tecnologia padrão de semicondutores, e também podem funcionar como um intermediário entre os dispositivos fotônicos e os dispositivos à base de elétrons, um passo necessário para qualquer dispositivo optoeletrônico."

Bibliografia:

Topological Polaritons
Torsten Karzig, Charles-Edouard Bardyn, Netanel H. Lindner, Gil Refael
Physical Review X
Vol.: 5, 031001
DOI: 10.1103/PhysRevX.5.031001