Luz viaja infinitamente rápido dentro de chip

Com informações da Universidade de Harvard -  06/11/2015

O material com índice zero de refração gera uma luz com comprimento de onda infinito.[Imagem: Peter Allen/Harvard SEAS]

Da eletrônica para a fotônica

Acaba de ser fabricado, no interior de um chip, o primeiro metamaterial com um índice de refração igual a zero, o que significa que a luz pode viajar com uma velocidade infinita em seu interior.

Este é um passo essencial na transição da eletrônica para a fotônica, que usa a luz para transportar grandes quantidades de informação muito mais rapidamente, o que poderá melhorar ou até mesmo substituir os dispositivos eletrônicos atuais.

O passo que falta para que as conexões ópticas sejam integradas aos sistemas de telecomunicações e aos computadores é desenvolver mecanismos e componentes que tornem mais fácil manipular a luz em nanoescala - no interior dos chips.

"A luz normalmente não gosta de ser espremida ou manipulada, mas este metamaterial permite manipular a luz de um chip para outro, espremer, dobrar, torcer e reduzir o diâmetro de um feixe da macroescala até a nanoescala. É uma nova forma notável para manipular a luz," disse o professor Eric Mazur, chefe da equipe responsável pela inovação.

Luz com velocidade infinita

Embora essa "velocidade infinitamente alta" soe como algo que quebra a regra da relatividade, não é esse o caso - ainda que já não haja mais tanta certeza entre os físicos de que o limite de velocidade universal da luz seja de fato insuperável.

Ocorre que a luz tem uma outra velocidade, medida pela rapidez com que as cristas de uma onda se movem, conhecida como velocidade de fase. Essa velocidade da luz aumenta ou diminui dependendo do material no qual a onda está se movimentando.

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Quando a luz passa através da água, por exemplo, sua velocidade de fase é reduzida conforme seu comprimento de onda é comprimido. Quando ela sai da água, sua velocidade de fase aumenta novamente conforme seu comprimento de onda volta a se alongar. O quanto as cristas de uma onda de luz se retardam em um material é expresso como uma razão chamada índice de refração - quanto maior for a refração, mais o material interfere com a propagação das cristas de onda da luz.

A água, por exemplo, tem um índice de refração de cerca de 1,3, enquanto o índice de refração do ar fica por volta de 1,0003 - o valor 1 é atribuído ao vácuo.

O metamaterial com índice zero de refração faz a interface entre os circuitos integrados eletrônicos e os componentes fotônicos. [Imagem: Yang Li et al. - 10.1038/nphoton.2015.198]

Índice de refração zero

Ocorre que, quando o índice de refração é reduzido para zero, coisas realmente estranhas e interessantes começam a acontecer.

Em um material com índice zero de refração, não há nenhum avanço de fase, ou seja, a luz não se comporta mais como uma onda em movimento, que viaja através do espaço em uma série de cristas e vales. Em vez disso, o material de índice zero cria uma fase constante - só cristas ou só vales - estendendo-se em comprimentos de onda infinitamente longos. As cristas e vales oscilam apenas como uma variável no tempo, não no espaço.

Essa fase uniforme permite que a luz seja esticada ou comprimida, torcida ougirada, sem perder energia.

Um material de índice zero que se encaixa dentro de um chip, portanto, tem um mundo de aplicações, inclusive no campo da computação quântica.

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Entrelaçamento

O metamaterial responsável por tudo isso consiste em matrizes de nanopilares de silício incorporadas em uma matriz de polímero, tudo revestido por uma película de ouro.

A equipe demonstrou que esse dispositivo funciona como um acoplamento entre guias de onda, também feitos de silício, fazendo a interface entre os circuitos integrados eletrônicos e os componentes fotônicos, todos integrados em um chip padrão.

Além de servir para os processadores fotônicos, esta técnica também pode ser usada para manipular qubits.

"Na óptica quântica, a ausência do avanço de fase pode permitir que emissores quânticos em uma cavidade ou guia de onda de índice zero emitam fótons que estão sempre em fase um com o outro", disse Philip Munoz, membro da equipe. "E também pode melhorar o entrelaçamento entre bits quânticos, já que as ondas de entrada da luz são efetivamente espalhadas e infinitamente longas, permitindo que mesmo partículas distantes sejam entrelaçadas."

Bibliografia:

On-chip zero-index metamaterial
Yang Li, Shota Kita, Philip Muñoz, Orad Reshef, Daryl Vulis, Mei Yin, Marko Loncar and Eric Mazur
Nature Photonics
Vol.: 9, 738-742
DOI: 10.1038/nphoton.2015.198