A luz soberana

Hipercristal: nasce uma nova forma de manipular a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2017

 O hipercristal manipula a luz com uma eficiência sem precedentes. [Imagem: Tal Galfsky]

Interação da luz com a matéria

O controle da interação entre a luz e a matéria é fundamental para vários fenômenos e tecnologias, o que inclui coisas como a fotossíntese, os lasers, os LEDs e as células solares.

Hoje existem duas tecnologias básicas para manipular a luz, em seus diferentes comprimentos de onda: os cristais fotônicos e os metamateriais.

Os dois têm suas vantagens e inconvenientes, mas ambos tropeçam em uma estreita largura de banda - permitindo manipular apenas uma ou poucas cores simultaneamente - e emissão de luz um tanto fraca.

Tal Galfsky, da Faculdade da Cidade de Nova Iorque, resolveu esses dois inconvenientes mesclando os dois materiais artificiais - cristais fotônicos e metamateriais - para obter um nível de controle sobre a luz sem precedentes.

Hipercristal

O resultado foi batizado de hipercristal, uma nova classe de material artificial que apresenta uma taxa de emissão de luz e uma intensidade significativamente superiores à dos materiais individuais.

As propriedades únicas dos hipercristais resultam da combinação de escalas de comprimento na estrutura do material, bem como das propriedades inerentes das estruturas em nanoescala usadas em sua construção.

 Os hipercristais mesclam as estruturas em estrutura micrométrica ou maiores dos metamateriais, com as estruturas nanométricas dos cristais fotônicos. [Imagem: Tal Galfsky et al. - 10.1073/pnas.1702683114]

A equipe afirma que os hipercristais deverão ter um impacto significativo em várias áreas de pesquisa tecnológica, a começar por LEDs ultrarrápidos para uso em Li-Fi, uma tecnologia sem fios que transmite dados em alta velocidade usando luz visível, células solares com maior capacidade de absorção de luz e emissores de fótons individuais para computação quântica.

Bibliografia:
Photonic hypercrystals for control of light-matter interactions
Tal Galfsky, Jie Gu, Evgenii E. Narimanov, Vinod M. Menon
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1702683114

Futuro dos Computadores

Descoberta de cristal líquido quântico pode mudar futuro dos computadores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  03/05/2017

O cristal líquido quântico tem um comportamento bizarro - tudo depende de como seus elétrons estão fluindo. [Imagem: J. W. Harter et al. - 10.1126/science.aad1188]

Cristais líquidos

Físicos descobriram o primeiro cristal líquido quântico tridimensional - um novo estado da matéria que pode ter aplicações nos computadores quânticos e nas tecnologias vistas como sucessoras da eletrônica.

"Nós detectamos a existência de um estado fundamentalmente novo da matéria, que pode ser considerado como um análogo quântico de um cristal líquido. Em princípio, podem existir numerosas classes desses cristais quânticos líquidos; portanto, nossa descoberta é provavelmente a ponta de um iceberg," disse o professor David Hsieh, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA.

Os cristais líquidos tradicionais, ou clássicos, estão em algum lugar entre um líquido e um sólido: eles são compostos por moléculas que fluem livremente, como se fossem um líquido, mas todas orientadas na mesma direção, como em um sólido.

Eles podem ser encontrados na natureza, como nas membranas celulares biológicas, ou podem ser fabricados artificialmente, como os utilizados em todas as telas de TV, computador, celulares e demais aparelhos eletrônicos.

Cristal líquido quântico

Já em um cristal líquido quântico os elétrons se comportam como as moléculas dos cristais líquidos clássicos. Ou seja, os elétrons se movem livremente, mas têm uma direção preferencial. O primeiro cristal líquido quântico foi descoberto por Jim Eisenstein em 1999, mas é bidimensional, o que significa que ele está confinado a um único plano dentro do material hospedeiro - uma substância metálica artificial baseada no arseneto de gálio.

Agora foi descoberto o primeiro cristal líquido quântico 3-D, um composto metálico de fórmula Cd₂Re₂O₇ (cádmio, rênio e oxigênio).

Em comparação com um cristal líquido quântico 2-D, a versão 3-D é ainda mais bizarra - os elétrons não apenas fazem uma distinção entre os eixos x, y e z, mas também possuem propriedades magnéticas diferentes dependendo se eles estão fluindo para frente ou para trás em um determinado eixo.

"Induzir uma corrente elétrica através destes materiais os transforma de não-magnéticos em magnéticos, o que é altamente incomum," comentou Hsieh. "Mais do que isso, em cada direção que você pode fazer a corrente fluir, a força magnética e a orientação magnética mudam. Os físicos dizem que esses elétrons 'quebram a simetria' da rede."

O material deverá ter uso na spintrônica e na computação quântica. [Imagem: J. W. Harter et al. - 10.1126/science.aad1188]

Computação quântica e spintrônica

Os pesquisadores afirmam que os cristais líquidos quânticos 3-D poderão desempenhar um papel no emergente campo da spintrônica, que explora a direção em que os elétrons giram, para criar chips de computador mais eficientes.

A descoberta também poderá ajudar com alguns dos desafios para a construção de um computador quântico. Uma das dificuldades na construção desses computadores é que as propriedades quânticas são extremamente frágeis e podem ser facilmente destruídas através de interações com o ambiente circundante. Uma das técnicas para lidar com isso é a chamada computação quântica topológica, que usa um tipo especial de material supercondutor que apresenta propriedades diferentes no seu interior e na sua superfície.

"Da mesma forma que os cristais líquidos quânticos 2-D foram propostos como precursores dos supercondutores de alta temperatura, os cristais líquidos quânticos 3-D poderiam ser os precursores dos supercondutores topológicos que estávamos procurando", disse Hsieh.

"Em vez de confiar na sorte para encontrar supercondutores topológicos, podemos agora ter uma rota para criá-los racionalmente usando cristais líquidos quânticos 3-D. Esse é o próximo passo na nossa agenda," disse John Harter, principal autor da descoberta.

Bibliografia:

A parity-breaking electronic nematic phase transition in the spin-orbit coupled metal Cd_2Re_2O_7
John W. Harter, Z. Y. Zhao, J.-Q. Yan, D. G. Mandrus, D. Hsieh
Science
Vol.: 356 (6335). pp. 295-299
DOI: 10.1126/science.aad1188