A luz pode girar como um redemoinho? Cientistas da Universidade de Varsóvia, da Universidade Militar de Tecnologia e do Institut Pascal CNRS responderam com um sonoro "sim", criando "tornados ópticos" giratórios dentro de uma estrutura extremamente pequena. O avanço aponta para uma nova forma de construir fontes de luz minúsculas com formas complexas, o que poderia suportar dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis para comunicação óptica e tecnologias quânticas.
"Nossa solução combina vários campos da física, desde a mecânica quântica, passando pela engenharia de materiais, até a óptica e a física do estado sólido", explica o Prof. Jacek Szczytko, da Universidade de Varsóvia, líder do grupo de pesquisa. "A inspiração veio de sistemas conhecidos da física atômica, onde elétrons podem ocupar diferentes estados de energia. Na fotônica, um papel semelhante é desempenhado por armadilhas ópticas, que confinam a luz em vez de elétrons." O Dr. Marcin Muszyński, primeiro autor do estudo da Universidade de Varsóvia e do City College de Nova York, acrescenta: "Você pode pensar nisso como um vórtice óptico. A onda de luz torce em torno de seu eixo, e sua fase muda de forma espiral. Além disso, até a polarização - a direção de oscilação do campo elétrico - começa a girar."
Esses estados de luz estruturados são atraentes para aplicações como comunicação quântica e controle de objetos microscópicos, mas produzi-los normalmente exigia nanoestruturas complicadas ou grandes sistemas experimentais. A equipe escolheu uma estratégia diferente, usando um cristal líquido - um material que flui como um líquido, mas cujas moléculas se organizam de forma ordenada, como um cristal. Dentro deste material, defeitos especiais conhecidos como torons podem se formar. "Eles podem ser imaginados como espirais firmemente torcidas, semelhantes ao DNA", explica Joanna Mędrzycka, estudante de nanotecnologia da Universidade de Varsóvia que, com a Dra. Eva Oton da Universidade Militar de Tecnologia, preparou as amostras de cristal líquido. "Se tal espiral for fechada unindo suas extremidades em um anel que lembra uma rosquinha, obtemos um toron."
Para fortalecer o efeito, o toron foi colocado dentro de uma microcavidade óptica - uma estrutura de espelhos que reflete repetidamente a luz e a mantém confinada. "Isso torna o campo muito mais forte", diz o Dr. Muszyński. "Além disso, podemos controlar o tamanho da armadilha e, portanto, as propriedades da luz, usando uma tensão elétrica externa." A equipe também alcançou algo novo: vórtices de luz estáveis no estado fundamental, o estado de menor energia. "Pela primeira vez, conseguimos obter esse efeito no estado fundamental", explica o Prof. Guillaume Malpuech, da Université Clermont Auvergne e CNRS, que desenvolveu o modelo teórico com o Prof. Dmitry Solnyshkov e o pós-doutorando Daniil Bobylev. "Isso é significativo porque o estado fundamental é o mais estável e o mais fácil para a energia se acumular." Para confirmar a emissão de laser, os pesquisadores introduziram um corante laser, obtendo luz que gira, é coerente e tem energia e direção de emissão bem definidas.
O Prof. Dmitry Solnyshkov observa: "É interessante que nossa abordagem se inspira em teorias muito avançadas envolvendo uma chamada carga vetorial. Então, de certa forma, conseguimos fazer os fótons se comportarem não como elétrons, mas como quarks." O Prof. Wiktor Piecek, da Universidade Militar de Tecnologia, conclui: "Esta descoberta abre um novo caminho para criar fontes de luz minúsculas com estruturas complexas. Em vez de depender de nanotecnologia complexa, podemos usar materiais auto-organizáveis. No futuro, isso pode permitir dispositivos fotônicos mais simples e escaláveis, por exemplo, para comunicação óptica ou tecnologias quânticas."