Um novo estudo revela uma abordagem inovadora para o confinamento de fótons em nanofotônica quântica, introduzindo nanocavidades que prolongam a vida útil dos fótons enquanto mantêm volumes de subcomprimentos de onda, prometendo novos avanços em aplicações quânticas. Crédito: SciTechDaily.com
Hanan Herzig Sheinfux, da Universidade Bar-Ilan: “O que começou como uma descoberta casual, pode muito bem abrir caminho para novas aplicações quânticas, ultrapassando os limites do que pensávamos ser possível.”
Num avanço significativo para a nanofotónica quântica, uma equipa de físicos europeus e israelitas introduz um novo tipo de cavidades polaritónicas e redefine os limites do confinamento da luz. Este trabalho pioneiro, detalhado em estudo publicado hoje (6 de fevereiro) em Materiais da Natureza, demonstra um método não convencional para confinar fótons, superando as limitações tradicionais da nanofotônica.
Os físicos há muito procuram maneiras de forçar os fótons a volumes cada vez menores. A escala de comprimento natural do fóton é o comprimento de onda e quando um fóton é forçado para uma cavidade muito menor que o comprimento de onda, ele efetivamente se torna mais “concentrado”.
Essa concentração aumenta as interações com os elétrons, amplificando os processos quânticos dentro da cavidade. No entanto, apesar do sucesso significativo no confinamento da luz em volumes profundos de subcomprimentos de onda, o efeito da dissipação (absorção óptica) continua a ser um grande obstáculo.
Os fótons em nanocavidades são absorvidos muito rapidamente, muito mais rápido que o comprimento de onda, e essa dissipação limita a aplicabilidade das nanocavidades a algumas das aplicações quânticas mais interessantes.
Renderização 3D de 4 cavidades polaritônicas de diferentes tamanhos. Crédito: Matteo Ceccanti
Design inovador de nanocavidades
O grupo de pesquisa do Prof. Frank Koppens do ICFO em Barcelona, Espanha, abordou esse desafio criando nanocavidades com uma combinação incomparável de volume de subcomprimento de onda e vida útil prolongada.
Essas nanocavidades, medindo menos de 100x100nm² em área e apenas 3nm de espessura, confinam a luz por períodos significativamente mais longos. A chave está no uso de polaritons de fônons hiperbólicos, excitações eletromagnéticas únicas que ocorrem no material 2D que forma a cavidade.
Esboço de uma nanocavidade (vista em seção transversal) e da ponta do campo próximo, sobreposta à distribuição de campo semelhante a um raio simulado dos modos de cavidade. Crédito: Matteo Ceccanti
Ao contrário de estudos anteriores sobre cavidades baseadas em fônons polaritons, este trabalho utiliza um mecanismo de confinamento novo e indireto. As nanocavidades são criadas por perfuração nanoescala buracos em um substrato de ouro com a precisão extrema (2-3 nanômetros) de um microscópio de feixe de íons com foco em He.
Depois de fazer os furos, o nitreto de boro hexagonal (hBN), um material 2D, é transferido para cima. O hBN suporta excitações eletromagnéticas chamadas polaritons de fótons hiperbólicos, que são semelhantes à luz comum, exceto que podem ser confinadas a volumes extremamente pequenos.
Quando os polaritons passam acima da borda do metal, eles sofrem uma forte reflexão, o que permite que sejam confinados. Este método evita assim moldar o hBN diretamente e preserva sua qualidade original, permitindo fótons altamente confinados e de longa duração na cavidade.
Impressão artística de uma nanocavidade e do campo dentro dela. Crédito: Matteo Ceccanti
Surpreendente sucesso experimental
Esta descoberta começou com uma observação casual feita durante um projeto diferente enquanto usava um microscópio óptico de campo próximo para escanear estruturas de materiais 2D. O microscópio de campo próximo permite excitar e medir polaritons na faixa do infravermelho médio do espectro e os pesquisadores notaram um reflexo incomumente forte desses polaritons na borda metálica. Esta observação inesperada desencadeou uma investigação mais profunda, levando à compreensão do mecanismo único de confinamento e à sua relação com a formação de nanoraios.
Porém, ao confeccionar e medir as cavidades, a equipe teve uma grande surpresa. “As medições experimentais são geralmente piores do que a teoria sugere, mas, neste caso, descobrimos que os experimentos superaram as previsões teóricas simplificadas e otimistas”, disse o primeiro autor, Dr. Hanan Herzig Sheinfux, do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan.
“Este sucesso inesperado abre portas para novas aplicações e avanços na fotônica quântica, ultrapassando os limites do que pensávamos ser possível.”
Dr. Herzig Sheinfux conduziu a pesquisa com o Prof. Koppens durante seu período de pós-doutorado no ICFO. Ele pretende usar essas cavidades para ver efeitos quânticos que antes eram considerados impossíveis, bem como para estudar mais a fundo a física intrigante e contra-intuitiva do comportamento hiperbólico do polariton do fônon.
Referência: “Nanocavidades de alta qualidade através do confinamento multimodal de polaritons hiperbólicos em nitreto de boro hexagonal” 6 de fevereiro de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01785-w
