Uma equipe de pesquisa co-liderada pelo Professor Zhang Shuang, chefe interino do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong, e pelo Professor Dai Qing do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia da China propôs uma solução para um problema comum no campo da nanofotônica - estudar a luz em escalas extremamente pequenas. Os resultados de sua pesquisa foram publicados recentemente na famosa revista acadêmica "Nature-Materials", e eles propuseram um método sintético de onda de frequência complexa (CFW) para resolver o problema da perda óptica na propagação do polaron.
Estas descobertas fornecem soluções práticas, como a utilização de dispositivos baseados em luz mais eficientes em dispositivos como chips de computador e dispositivos de armazenamento de dados, para permitir um armazenamento e processamento de dados mais rápidos e compactos e para melhorar a precisão dos sensores, da tecnologia de imagem e dos sistemas de segurança.
Os polaritons de plasmons de superfície e os polaritons de fônons têm as vantagens de armazenamento eficiente de energia, aprimoramento de campo local e alta sensibilidade, graças à sua capacidade de confinar a luz em pequenas escalas. Porém, suas aplicações práticas são dificultadas pelo problema das perdas ôhmicas, que causam dissipação de energia ao interagir com materiais naturais.
Esta limitação tem dificultado o desenvolvimento de nanofotônica para detecção, ultraimagem e circuitos nanofotônicos nas últimas três décadas. A superação das perdas ôhmicas melhorará muito o desempenho do dispositivo, permitindo assim o desenvolvimento de tecnologias de detecção, imagens de alta resolução e circuitos nanofotônicos avançados.
O professor Zhang Shuang, autor correspondente do artigo, explicou o foco da pesquisa: "Para resolver o problema da perda óptica em aplicações importantes, propusemos uma solução prática. Usando uma nova excitação de onda complexa sintética, podemos alcançar ganho virtual para compensar a perda intrínseca do sistema polariton. Para verificar este método, aplicamos-o ao sistema de propagação de polariton de fônons e observamos uma melhoria significativa na propagação de polariton. "
"Demonstramos esse método conduzindo experimentos na faixa de frequência óptica usando materiais fonon polariton, como hidreto de boro e óxido de molibdênio. Como esperado, obtivemos distâncias de propagação quase sem perdas, o que é consistente com as previsões teóricas, "acrescentou o Dr. Guan Fuxin, primeiro autor do artigo e pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Hong Kong.
Abordagem multifrequencial para superar a perda óptica
Neste estudo, a equipe de pesquisa desenvolveu um novo método multifrequencial para resolver o problema de perda de energia na propagação do polaron. Eles usaram um tipo especial de onda chamada “onda de frequência complexa” para obter ganho virtual e compensar perdas no sistema óptico. As ondas comuns mantêm uma amplitude ou intensidade constante ao longo do tempo, enquanto as ondas de frequência complexas exibem oscilação e amplificação. Este recurso permite uma representação mais completa do comportamento das ondas e compensa as perdas de energia.
Embora a frequência seja geralmente tratada como um número real, ela também possui uma parte imaginária. Esta parte imaginária diz-nos como a onda fica mais forte ou mais fraca ao longo do tempo. Ondas de frequência complexas com partes imaginárias negativas (positivas) decaem (amplificam) ao longo do tempo. No entanto, realizar medições diretamente sob excitação de ondas de frequência complexas em óptica é um desafio porque requer medições de temporização complexas. Para superar essa dificuldade, os pesquisadores empregaram a ferramenta matemática da transformada de Fourier, que decompõe uma onda de frequência complexa truncada (CFW) em componentes com frequências independentes.
Assim como quando você cozinha e precisa de um ingrediente específico difícil de encontrar, os pesquisadores seguiram uma linha de pensamento semelhante. Eles dividem ondas de frequência complexas em ingredientes mais simples, como usar ingredientes substitutos em uma receita. Cada componente representa um aspecto diferente da onda de frequência. É como fazer um prato delicioso usando ingredientes substitutos para obter o sabor desejado. Medindo esses componentes em diferentes frequências e combinando os dados, eles reconstruíram o comportamento do sistema sob exposição a ondas de frequências complexas. Isso os ajuda a compreender e compensar as perdas de energia. Esta abordagem simplifica muito o uso prático do CFW em diferentes aplicações, incluindo propagação de polaritons e hiperimagem. Ao realizar medições ópticas em diferentes frequências reais em intervalos fixos, a resposta óptica do sistema em frequências complexas pode ser construída. Isto pode ser conseguido combinando matematicamente as respostas ópticas obtidas em diferentes frequências reais.
Outro autor correspondente do artigo, o professor Dai Qing do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia, apontou que este trabalho fornece uma solução prática para o problema de longa data de perda de luz em nanofotônica. Ele enfatizou a importância da abordagem de frequência complexa sintética, observando que ela poderia ser facilmente aplicada a várias outras aplicações, como detecção molecular e circuitos integrados nanofotônicos. Ele enfatizou ainda: "Este método é notável e universalmente aplicável porque também pode ser usado para resolver problemas de perda em outros sistemas de ondas, incluindo ondas acústicas, ondas elásticas e ondas quânticas, melhorando assim a qualidade da imagem a níveis sem precedentes."
Fonte compilada: ScitechDaily