Modelo desenvolvido na Universidade de Vilnius, na Lituânia, permite controlar luz estruturada sem campos magnéticos

De acordo com pt.wedoany.com-Investigadores do Departamento de Física da Universidade de Vilnius, na Lituânia, desenvolveram um modelo teórico que permite remodelar feixes de laser com torção e polarização, utilizando apenas luz, através de uma "pré-programação" de átomos. O estudo, realizado pelo estudante de mestrado Dharma Prasetya Permana em colaboração com a Dra. Mažena Mackoit-Sinkevičienė, o Dr. Julius Ruseckas e o Dr. Hamid Reza Hamedi, do Instituto de Física Teórica e Astronomia, abre novos caminhos para o controlo sem campos magnéticos da luz estruturada em tecnologias quânticas. Os resultados foram publicados na revista Physical Review A.

A investigação da equipa centra-se em vórtices óticos, feixes especiais cuja estrutura sofre torção durante a propagação. Ao contrário dos redemoinhos que rodam na água, os vórtices óticos são distorções na estrutura da onda luminosa, cuja frente de onda forma uma estrutura helicoidal. A intensidade da luz no centro do feixe cai para zero, deixando um pequeno núcleo escuro, cujo tamanho é determinado por uma grandeza chamada carga topológica, que indica o número de voltas completas que a frente de onda dá em torno do eixo do feixe. Uma carga topológica zero significa ausência de torção; aumentá-la torna a estrutura mais pronunciada, e quanto maior a carga, mais apertada é a torção. Teoricamente, a carga topológica pode assumir qualquer valor inteiro, positivo ou negativo, o que torna os vórtices óticos atrativos para codificar informação, permitindo criar até dez mil estados diferentes. Os investigadores já começaram a utilizar estes vórtices de luz para construir canais de comunicação quântica avançados. Ao contrário dos qubits, que possuem apenas dois estados, os vórtices óticos permitem codificar informação em estados quânticos de dimensão superior, designados por qudits, aumentando enormemente a quantidade de dados que um único fotão pode transportar.

A propagação da luz envolve duas formas de controlo: polarização e vórtice. A polarização descreve a direção de vibração da onda, enquanto o vórtice descreve a forma global do feixe. Quando os cientistas combinam estes dois conceitos, obtêm um vórtice vetorial, um feixe que possui simultaneamente um padrão estrutural e um modo de vibração. Para controlar vórtices vetoriais e utilizá-los em processamento avançado de informação, os investigadores estudaram como estes feixes interagem com um gás de átomos, tendo escolhido um meio atómico de três níveis. O modelo teórico desenvolvido pelos investigadores demonstra como estes átomos podem ser "pré-programados" para modificar a forma dos vórtices óticos vetoriais. Quando essa luz atravessa o meio atómico preparado, os átomos respondem de forma altamente estruturada, herdando o padrão espacial da luz, formando regiões de forte absorção e zonas quase transparentes. Isto estabelece um mecanismo de feedback entre luz e matéria: a luz molda a resposta dos átomos, e a resposta dos átomos remodela a luz. O feixe transforma-se durante a propagação, evoluindo de uma simples distribuição de intensidade anelar para um padrão em forma de pétalas, com a luz concentrada em vários lóbulos brilhantes dispostos em torno do centro, enquanto a estrutura de polarização do feixe também evolui.

O estudo posiciona os átomos pré-programados como uma ferramenta poderosa para controlar a luz, com potenciais implicações para a computação quântica e a transmissão de dados de alta densidade. Anteriormente, controlar a luz estruturada desta forma exigia equipamentos externos complexos e dispendiosos de campos magnéticos, limitando a integração dos sistemas. Este método é puramente ótico, eliminando a necessidade de campos magnéticos ao utilizar a própria luz para "programar" os átomos, oferecendo uma forma mais flexível e escalável de controlar as interações luz-matéria, estabelecendo as bases para processadores quânticos mais rápidos, redes de comunicação quântica altamente seguras e sensores óticos extremamente precisos.