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A "mágica" da miniaturização da luz é feita pela nanoestrutura em formato de gravata borboleta, no centro do dispositivo. [Imagem: Marcus Albrechtsen et al. - 10.1038/s41467-022-33874-w] Vencendo o limite de difração Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca construíram um dispositivo capaz de emitir os mais finos feixes de luz já criados. Cerca de 10.000 vezes mais finos do que um fio de cabelo humano, esses feixes ultrafinos terão utilidade em uma série de áreas, incluindo toda a tecnologia fotônica, processadores de luz, computadores energeticamente mais eficientes e, claro, na computação quântica. Até recentemente, os físicos acreditavam que era impossível comprimir a luz abaixo do chamado limite de difração. Depois se viu que isso poderia ser feito usando nanopartículas metálicas, mas esta chamada miniaturização da luz não satisfez a todos porque essas nanopartículas metálicas também absorvem a própria luz, resultando em perdas de energia e informação no processo. Mas permanecia ainda a ideia de que seria impossível comprimir fortemente a luz em materiais dielétricos, ou isolantes, que, além de serem materiais-chave nas tecnologias da informação, como o silício, vêm com a importante vantagem de não absorverem a luz. Então, em 2006, vários trabalhos publicados quase simultaneamente sedimentaram a ideia de que o limite de difração também não se aplica aos dielétricos. Ainda assim, ninguém havia conseguido mostrar isso no mundo real, simplesmente porque era necessária uma nanotecnologia avançada demais para construir as nanoestruturas dielétricas necessárias. Foi esse desafio que agora foi vencido. Gravata borboleta nanotecnológica Marcus Albrechtsen e seus colegas finalmente conseguiram construir a nanoestrutura exigida para confinar a luz em um espaço impensável há poucos anos: Seu feixe de luz tem apenas 8 nanômetros de diâmetro. Antes de tentar construir a nanoestrutura, contudo, era necessário projetá-la com precisão. "Nós programamos nosso conhecimento da nanotecnologia fotônica real e suas limitações atuais em um computador. Então pedimos ao computador que encontrasse um padrão que coletasse os fótons em uma área sem precedentes de tão pequena - em uma nanocavidade óptica - que também conseguimos construir no laboratório," contou o pesquisador. Tudo acontece dentro de uma nanocavidade dielétrica, uma estrutura em formato de gravata borboleta que concentra a luz em um volume 12 vezes menor do que o limite de difração. "Embora os cálculos de computador mostrem que você pode concentrar a luz em um ponto infinitamente pequeno, isso só se aplica em teoria. Os resultados reais são limitados pela forma como pequenos detalhes podem ser feitos, por exemplo, em um microchip," disse Albrechtsen. A equipe acredita que dá para ir miniaturizando ainda mais a luz conforme a nanofabricação avança. [Imagem: Marcus Albrechtsen et al. - 10.1038/s41467-022-33874-w] Integração eletrônica-fotônica Esta inovação pode ser decisiva para o desenvolvimento de novas tecnologias para reduzir a quantidade de componentes devoradores de energia que povoam nossos computadores, celulares e demais aparelhos eletrônicos. Uma das soluções mais promissoras é trocar a eletricidade por luz, mas, se tiver que seguir as restrições de seu comprimento de onda, de centenas de nanômetros, a luz se torna grande demais para ser embutida em chips. Esta nova tecnologia, comprimindo a luz no mesmo tamanho que os componentes eletrônicos, pode levar para o interior dos chips a mesma divisão do trabalho que já existe entre luz e elétrons na internet, onde a luz é usada para comunicação e a eletrônica para processamento. A equipe agora pretende trabalhar no refinamento dos métodos e materiais usados na construção das nanocavidades, para encontrar a solução mais próxima possível do marco teórico. "Agora que temos a teoria e o método, seremos capazes de produzir fótons cada vez mais intensos à medida que a tecnologia envolvida se desenvolve. Estou convencido de que este é apenas o primeiro de uma longa série de grandes desenvolvimentos em física e nanotecnologia fotônicas, centrados nesses princípios," disse o professor Soren Stobbe. fonte: inovacaotecnologica.com.br

Missão brasileira busca parcerias em fotônica e nanotecnologia Com informações do MCTIC - 06/03/2018 Fotônica na saúde Uma delegação brasileira faz uma jornada pela Europa nesta semana em busca de parcerias em fotônica e nanotecnologia, especialmente, para o desenvolvimento de produtos inovadores na área da saúde. O objetivo do esforço é criar uma plataforma para estimular o intercâmbio de conhecimento entre Brasil e Europa. "A ideia é desenvolver tecnologias que ajudem a desafogar o nosso sistema de saúde e ajudar na avaliação de novos materiais em nanotecnologia," afirmou Leandro Berti, que é coordenador-geral de Desenvolvimento e Inovação em Tecnologias Convergentes e Habilitadoras do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCTIC). A delegação, liderada por Berti, inclui pesquisadores do CTI Renato Archer, Fiocruz e Fundação Certi. Fotônica é a ciência que estuda a geração, emissão, transmissão, modulação, processamento, amplificação e detecção da luz.[Imagem: MCTIC] Nanofabricação e fotônica Em Braga, Portugal, está prevista a visita ao Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL), que possui longa trajetória de cooperação com o Brasil em nanofabricação. Em seguida a delegação se reúne com a direção-geral das Redes de Comunicação, Conteúdos e Tecnologias (DG CONNECT), responsável pela área de fotônica na União Europeia. A delegação também visitará, em Leuven, na Bélgica, o Centro Interuniversitário em Microeletrônica (Imec), um dos maiores centros europeus de nanoeletrônica e nanomedicina, com ampla aplicação na área de saúde. A missão participará ainda do evento Photonics 21, em Bruxelas, onde será lançada a estratégia de fotônica para os próximos 10 anos pela União Europeia, "o que proporcionará uma grande expertise para o desenvolvimento da fotônica no Brasil", na avaliação do coordenador Leandro Berti. Fonte: Inovação Tecnológica http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=missao-brasileira-busca-parcerias-fotonica-nanotecnologia&id=010175180306#.WqU9iWrwZph

Fótons interagem com fótons, criando moléculas de luz Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/02/2018 Uma possibilidade tentadora seria usar os fótons que interagem entre si para fazer sabres de luz. [Imagem: Christine Daniloff/MIT] Fótons que interagem entre si Faça um experimento rápido: leve duas lanternas para uma sala escura e faça com que os feixes de luz de ambas se cruzem no espaço vazio. Apenas para lhe poupar um pouco de trabalho, vale adiantar que o resultado será decepcionante: você não observará nada de peculiar. Isso ocorre porque os fótons individuais que compõem a luz não interagem entre si, eles simplesmente passam uns pelos outros, indo iluminar a parede ou o que encontrarem pela frente. Mas, e se as partículas de luz pudessem ser induzidas a interagir, atraindo-se e repelindo-se como os átomos na matéria comum? Uma possibilidade tentadora, embora ainda no reino da ficção científica, seria a fabricação de sabres de luz - feixes de luz que poderiam puxar e empurrar um ao outro. Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em um fluxo luminoso único para fazer coisas como... computações. Qual é a cor do sabre de luz mais poderoso? Moléculas de luz Pode parecer que esse comportamento óptico exigiria quebrar as leis da física, mas, de fato, ele acaba de ser demonstrado em um experimento bem comportado - sob condições especiais, os fótons de fato interagiram. Qi-Yu Liang e seus colegas descreveram como os fótons se juntaram em duplas e trios, juntando-se para formar um tipo completamente novo de matéria fotônica - essencialmente, moléculas de luz. O experimento consistiu em disparar um raio laser muito fraco através de uma nuvem densa de átomos de rubídio ultrafrios - um condensado de Bose-Einstein, uma espécie de átomo artificial, já que, sob temperaturas criogênicas, os átomos de rubídio entram em ressonância e passam a se comportar como se fossem um único átomo. A surpresa é que, em vez de saírem da nuvem como fótons soltos, espaçados aleatoriamente, o que emergiu foram fótons unidos em pares ou mesmo trigêmeos, sugerindo que algum tipo de interação ocorreu entre eles - neste caso, uma atração. Luz líquida unifica eletrônica e fotônica Os fótons juntaram-se em pares e trios, ganharam massa e ficaram mais lentos. [Imagem: Qi-Yu Liang et al. - 10.1126/science.aao7293] Interações entre partículas Embora os fótons normalmente não tenham massa e viajem a quase 300.000 quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os fótons ligados na verdade adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz pesadas também se mostraram relativamente lentas, viajando cerca de 100.000 vezes mais devagar do que os fótons comuns. Estes resultados, se confirmados por outras equipes, demonstram que os fótons podem, de fato, se atrair, ou se entrelaçar, uns com os outros. Como o átomo artificial gerou esse efeito é algo que ainda deverá ser pesquisado. Mas, se for possível fazê-los interagir de outras maneiras, esses fótons pesados poderiam ser usados para realizar cálculos - em processadores quânticos ou fotônicos extremamente rápidos, por exemplo. Em seu artigo, a equipe se pergunta também se essas interações poderiam ocorrer não apenas entre dois fótons, mas também entre outras partículas. "Por exemplo, você pode combinar moléculas de oxigênio para formar O2 e O3 (ozônio), mas não O4, e, para algumas moléculas, você não consegue formar nem mesmo uma molécula de três partículas. Então, fica uma questão em aberto: Você poderia adicionar mais fótons a uma molécula para fazer coisas maiores e maiores?" sugeriu o professor Vladan Vuletic, que há algum tempo vem sugerindo a possibilidade real de se criar moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz. É bom lembrar que, há pouco mais de um ano, uma equipe alemã apresentou uma outra técnica que também permite alterar a luz com a própria luz, uma outra forma de fazer com que fótons interajam com fótons. Cientistas solidificam a luz Bibliografia: Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic Science DOI: 10.1126/science.aao7293 Luz líquida unifica eletrônica e fotônica Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/08/2016 O "mar" de luz líquida emite feixes que podem ser controlados por um campo elétrico. [Imagem: Alexander Dreismann] Chave de luz Conforme os transistores ficam cada vez menores, está sendo necessário lidar com os efeitos quânticos associados com átomos e elétrons individuais. Por isso tem havido um esforço crescente na busca de alternativas para o elétron como o transportador primário de informação. Alexander Dreismann e seus colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, encontraram uma dessas alternativas explorando um estado da matéria conhecido como "luz líquida", que permite misturar sinais elétricos e ópticos usando quantidades mínimas de energia. Eles construíram um novo tipo de chave que é energeticamente muito eficiente, o que significa que o componente pode se tornar a base de futuras tecnologias de processamento de sinais e de transmissão de informações - além de um transístor ser essencialmente uma chave, o componente também funciona como um conversor elétrico-óptico. Luz líquida O nome técnico da luz líquida é "Polariton de Bose-Einstein". Os polaritons são quasipartículas que nascem da junção de elétrons com fótons, e estão na base de um campo emergente conhecido como Plasmônica. Um Condensado de Bose-Einstein é um preparado especial da matéria em que milhões de átomos se comportam como se fossem um só, daí ser ele conhecido como átomo artificial. Luz gasosa e luz líquida O condensado de Polaritons de Bose-Einstein foi gerado aprisionando a luz entre dois espelhos espaçados por apenas alguns nanômetros, onde os fótons interagem com os elétrons na superfície de placas finas de um material semicondutor, criando uma quasipartícula que é meio luz e meio matéria. Quando muitos polaritons são colocados no mesmo espaço - um excesso deles para esse espaço - é possível induzir sua condensação, similar à condensação de gotículas de água em um ambiente saturado. Com isto, forma-se um fluido de luz-matéria, ou luz líquida. Fluido de luz-matéria O fluido de luz-matéria pode girar no sentido horário (spins para cima) ou anti-horário (spins para baixo), e esse giro pode ser controlado por meio de um campo elétrico. Como o fluido emite luz com seu spin característico, esse controle funciona como uma chave, alternando os modos de luz que são então coletados e podem ser enviados por meio de fibras ópticas para comunicação. Na prática, o sistema todo funciona como um meio de converter sinais elétricos em sinais ópticos, um dos grandes gargalos na hora de conectar as rápidas vias de comunicação por luz com os bem mais lentos circuitos lógicos eletrônicos. "O interruptor de polariton unifica as melhores propriedades da eletrônica e da óptica em um pequeno componente que pode transmitir em velocidades muito altas e usando quantidades mínimas de energia," disse Dreismann. Como o protótipo funciona a temperaturas criogênicas, devido às características do material semicondutor usado, ele ainda é inadequado para uso prático fora dos laboratórios. Por isso a equipe anunciou que está pesquisando outros materiais que possam operar a temperatura ambiente, de modo que o dispositivo possa ser comercializado. Bibliografia: A sub-femtojoule electrical spin-switch based on optically trapped polariton condensates Alexander Dreismann, Hamid Ohadi, Yago del Valle-Inclan Redondo, Ryan Balili, Yuri G. Rubo, Simeon I. Tsintzos, George Deligeorgis, Zacharias Hatzopoulos, Pavlos G. Savvidis, Jeremy J. Baumberg Nature Materials DOI: 10.1038/nmat4722 Cientistas solidificam a luz Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2014 Luz cristalizada: inicialmente os fótons fluem facilmente entre os dois qubits, produzindo as grandes ondas à esquerda. A seguir, a luz cristaliza, mantendo os fótons no lugar (direita). [Imagem: Universidade de Princeton] Cristal de luz Cientistas garantem ter solidificado a luz, cristalizando os fótons como se eles fossem os átomos na rede cristalina de um sólido. Não se trata de espalhar a luz através de cristal - a luz se transforma em um cristal, com os fótons ficando fixos no lugar. Os cientistas já haviam torcido e retorcido a luz, congelado a luz e até construído rodas fotônicas. Mas formar uma rede cristalina de luz é algo inédito. Moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz "É algo que nunca vimos antes," disse Andrew Houck, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. "Este é um novo comportamento para a luz." Infelizmente, você não conseguirá pegar o cristal de luz na mão, uma vez que esse comportamento exótico cessa tão logo o feixe é desligado, mas os cientistas garantem que o experimento sem precedentes poderá responder a algumas perguntas fundamentais sobre a física da matéria. Essas perguntas têm sido feitas no esforço para desenvolver materiais com propriedades não encontradas na natureza, como supercondutores que funcionem a temperatura ambiente, e os tão sonhados computadores quânticos. Onda, partícula, sólido Para construir seu cristalizador de luz, James Raftery e seus colegas criaram uma estrutura feita de materiais supercondutores que contém 100 bilhões de átomos projetados para agir como uma entidade única - um átomo artificial. O aparato é baseado no processador quântico que a equipe vem desenvolvendo desde 2007, no qual átomos artificiais funcionam como qubits. Pelas regras da mecânica quântica, os fótons em um fio supercondutor que passa ao lado do processador herdam algumas das propriedades do átomo artificial - em certo sentido criando uma conexão entre eles. Fótons normalmente não interagem uns com os outros, mas, neste sistema, os pesquisadores foram capazes de criar um novo comportamento no qual os fótons começam a interagir como partículas, e não apenas como ondas. "Essas interações geram então um comportamento coletivo da luz totalmente novo - parecido com as fases da matéria, como os líquidos e cristais estudados na física da matéria condensada," explica Darius Sadri, membro da equipe. Controlando o funcionamento do átomo artificial no interior do chip e a energia fluindo pelo supercondutor, os pesquisadores podem fazer com que a luz fique "espirrando" de um lado para o outro, como se fosse um líquido, ou simplesmente congele, criando um "cristal de luz". Ou seja, além de se comportar como onda e como partícula, agora a luz se manifestou como matéria sólida como esta é vista pelas leis da mecânica clássica, criando uma forma simples e direta de interagir e, eventualmente, interferir com a matéria na fronteira quântico-clássica. Detalhe do processador fotônico onde o experimento foi realizado. [Imagem: James Raftery et al. - 10.1103/PhysRevX.4.031043] Construindo a matéria Como o átomo artificial é um qubit por definição, a equipe está entusiasmada com a possibilidade de usar esse novo comportamento da luz para criar novas formas de computação ainda mais eficientes e rápidas do que as que vinham sendo consideradas pela computação quântica. O protótipo usado no experimento é relativamente pequeno, com apenas dois átomos artificiais emparelhados com um fio supercondutor. Mas a equipe afirma que, construindo um dispositivo maior, e aumentando o número de interações dos fótons, será possível aumentar sua capacidade e simular sistemas mais complexos. Isto tem a ver com os simuladores quânticos, circuitos capazes de simular de uma única molécula até um material sólido completo a partir dos primeiros princípios quânticos das suas partículas constituintes. É como aprender a construir a matéria de baixo para cima. Simulador quântico permite pilotar átomos No futuro, a equipe pretende construir dispositivos com centenas de átomos artificiais, com os quais eles esperam observar fases ainda mais exóticas da luz, tais como superfluidos e isolantes. "Estamos interessados em explorar - e, finalmente, controlar e dirigir - o fluxo de energia em nível atômico", disse outro membro da equipe, Hakan Tureci. "O objetivo é entender melhor os materiais e os processos atuais e avaliar materiais que ainda não podemos criar." Bibliografia: Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition James Raftery, Darius Sadri, Sebastian Schmidt, Hakan E. Tureci, Andrew A. Houck Physical Review X Vol.: 4, 031043 DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031043 Fontes: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fotons-interagem-fotons-criando-moleculas-de-luz&id=010115180222#.WpQnDmrwZpg http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=luz-liquida-unifica-eletronica-fotonica&id=010110160809#.WpRmAWrwZpg http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-solidificam-luz&id=010160140912#.WpRmomrwZpg

Descobertas simultâneas fazem elétron conversar diretamente com fóton Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/01/2018 Fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons é um feito com amplos desdobramentos tecnológicos - esta imagem ilustra o feito da equipe que trabalhou com o material bidimensional WS2. [Imagem: TU Delft/Scixel] Descobertas simultâneas A corrida por uma nova plataforma de computação - que vá além da eletrônica atual - já conta com competidores de peso, como processadores quânticos, spintrônicos, neuromórficos, fotônicos etc. Agora essa corrida ficou ainda mais disputada graças ao surgimento não de um, mas de dois competidores híbridos, que fundem a fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) com a spintrônica (processadores que usam o spin dos elétrons, e não sua carga). E os novos competidores já surgem com uma vantagem: eles são baseados em componentes de silício, o que significa que é mais fácil passar a coisa do laboratório para a indústria. Outro detalhe interessante é que se trata de um feito raro na ciência - duas equipes da Universidade de Delft, na Holanda, trabalhando em laboratórios vizinhos, mas de forma independente uma da outra, descobriram ao mesmo tempo como fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons. As duas técnicas, que foram publicadas em artigos separados pela revista Science, prometem ajudar a conectar múltiplos qubits dentro de um mesmo processador quântico, superando a limitação de outras plataformas, como a dos qubits supercondutores, e viabilizar novas formas de processamento de dados mais energeticamente eficientes. Spin fala com fóton 1 A equipe liderada por Su-Hyun Gong descobriu uma forma de converter a informação contida no spin de um elétron em um sinal de luz - um fóton - usando um material bidimensional, o dissulfeto de tungstênio (WS2), um metal dicalcogeneto com propriedades similares às da mais conhecida molibdenita. E tudo funciona a temperatura ambiente. Isto significa que os dados podem ser armazenados em uma estrutura - o spin de um elétron - que consome uma quantidade irrisória de eletricidade em comparação com os fluxos de elétrons atuais, e ainda pode ser diretamente traduzido para transmissão da informação dentro do chip ou para fora do computador. "Esta combinação pode muito bem resultar em estratégias verdes de processamento de informações em nanoescala," disse o professor Kobus Kuipers, coordenador da equipe, acentuando que o mecanismo também é útil no campo emergente da valetrônica. A segunda equipe está trabalhando com qubits em uma plataforma de silício. [Imagem: TU Delft] Spin fala com fóton 2 A equipe liderada por Nodar Samkharadze descobriu como acoplar o spin do elétron a um fóton de micro-ondas. "O spin do elétron é aprisionado em um ponto quântico duplo de silício e o fóton de micro-ondas é armazenado em um ressonador supercondutor de alta impedância dentro do chip. O componente de campo elétrico do fóton na cavidade se acopla diretamente ao dipolo de carga do elétron no ponto quântico duplo e, indiretamente, ao spin do elétron, por meio de um forte gradiente de campo magnético local gerado por um micromagneto próximo," detalhou a equipe. Isto significa que a informação guardada no spin de um elétron - que pode funcionar também como qubit - fala diretamente com um meio de transmissão de dados - as micro-ondas. "Isso é importante para conectar bits quânticos distantes em um chip de silício, abrindo o caminho para aumentar a escala dos bits quânticos dentro dos chips de silício," disse Guoji Zheng, membro da equipe. Bibliografia: Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling Su-Hyun Gong, Filippo Alpeggiani, Beniamino Sciacca, Erik C. Garnett, L. Kuipers Science Vol.: 359, Issue 6374, pp. 443-447 DOI: 10.1126/science.aan8010 Strong spin-photon coupling in silicon N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen Science Vol.: eaar4054 DOI: 10.1126/science.aar4054 Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=eletron-conversar-diretamente-foton&id=010110180131#.WpQejmrwZpg