Uma equipe de pesquisa científica do Joint Quantum Institute (JQI) da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos, desenvolveu recentemente com sucesso um novo chip que pode converter e produzir de forma estável lasers de múltiplas cores sem controle externo. Espera-se que este avanço alinhe a tecnologia de integração fotônica com a revolução da tecnologia de semicondutores, abrindo caminho para o uso prático de redes de comunicação quântica e instrumentos ópticos de precisão.

Durante anos, os cientistas têm trabalhado arduamente para miniaturizar ferramentas experimentais ópticas em grande escala, como lasers, lentes e espelhos, e integrá-las em chips do tamanho de uma unha. A miniaturização desses dispositivos é fundamental para aumentar as velocidades de comunicação de dados, criar relógios atômicos de altíssima precisão e dimensionar computadores quânticos que usam luz em vez de sinais eletrônicos. No entanto, como dividir um laser monocromático em múltiplos componentes em um pequeno chip para conseguir a geração de múltiplas novas frequências sempre foi um problema que assola esse campo.

Uma equipe de pesquisa de Maryland já superou essa dificuldade. Eles projetaram e construíram um chip que converte uma única cor de luz laser em três frequências distintas de luz. Mais importante ainda, este processo não requer entrada ativa externa ou ajuste fino complexo, melhorando significativamente a repetibilidade e estabilidade do sinal óptico integrado. Resultados relevantes foram publicados na revista Science.

Ao contrário dos dispositivos ópticos tradicionais, como os prismas, que são responsáveis ​​apenas por quebrar as cores existentes, este chip pode “criar” novas frequências de luz que originalmente não existiam. Alcançar novas frequências de luz depende de efeitos ópticos não lineares – apenas a iluminação de alta intensidade altera as propriedades ópticas dos materiais, o que por sua vez afeta a própria luz. Este tipo de efeito não linear foi descoberto há mais de 60 anos (como a "geração de segundo harmônico" em 1961), mas o efeito em si é muito fraco e tem sido difícil de explorar com eficácia no passado.

Os modernos chips fotônicos integrados usam minúsculas cavidades ressonantes nas quais a luz circula milhões de vezes, aumentando muito os efeitos não lineares. Mesmo assim, pequenas mudanças na fabricação, temperatura, estrutura do chip, etc. ainda fazem com que a combinação de frequência de saída seja extremamente instável.

A nova solução da equipe JQI elimina completamente a necessidade de ajustes repetidos ao projetar uma cavidade ressonante que “influencia” a interação não linear necessária. Mohammad Hafezi, líder do projeto, pesquisador JQI e professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e Física da Universidade de Maryland, disse que essa conquista não apenas melhora o desempenho, mas também fornece replicabilidade para produção em massa e integração real. O chip pode produzir continuamente o mesmo espectro sem a necessidade de controle ativo, o que deverá simplificar bastante a dificuldade de integração de sistemas fotônicos em grande escala.

À medida que a tecnologia de geração de frequência no chip se tornar confiável, ela poderá se tornar a base central para a transmissão de informações quânticas baseadas em fótons no futuro. Cada cor clara corresponde a uma frequência única. A combinação estável de múltiplas frequências em nível atômico melhorará muito a precisão da fase, distância e detecção sensível ao tempo, beneficiando campos de ponta, como computação quântica e relógios atômicos portáteis.