Moldando o fluxo da luz: bandas fotônicas em redes ópticas

Abstract

O assunto desse projeto de pesquisa são redes ópticas e a aplicação delas pela criação de novos sistemas físicos com propriedades inéditas. Nosso interesse particular é a exploração de novas geometrias de redes ópticas que prometam uma maleabilidade quase ilimitada da sua estrutura de bandas fotônicas. Redes ópticas são gases atômicos frios e diluídos, estruturados em ordem periódica por meio da força dipolar espacialmente modulada, exercida por um conjunto de raios de laser em superposição. As redes ópticas são caracterizadas por uma periodicidade intrinsecamente perfeita, uma constante da rede compatível com comprimentos de ondas ópticas e por uma variabilidade ao vivo. Devido à sua estrutura periódica, redes ópticas compartilham muitas analogias com sólidos cristalinos ou metálicos. Mas elas também têm muito em comum, com cristais fotônicos, uma classe de materiais dielétricos caracterizada por variações periódicas do índice de refração. Cristais fotônicos prometem muitas aplicações tecnológicas na óptica de películas finas, na telecomunicação fotônica e até quântica ou como metamateriais para superlentes e dispositivos de disfarce. Apesar do progresso impressionante na fabricação de cristais fotônicos, eles sofrem de dificuldades fundamentais em fornecer a fidelidade exigida em longas escalas, devido a defeitos no tamanho e na posição dos blocos elementares. Esta desordem perturba aquelas propriedades dos cristais fotônicos baseadas na interferência global: reduz a refletividade de Bragg, extingue a luz transmitida e destrói finalmente a banda proibida fotônica. Nós queremos demonstrar que é possível realizar estruturas de bandas fotônicas em redes ópticas e que estes representam uma alternativa viável aos cristais fotônicos. A característica das bandas fotônicas de permitir a manipulação quase sem constrangimento da densidade de modos eletromagnéticos leva à supressão da emissão espontânea e, por consequência, ao controle total da interação entre a matéria e a luz. A acessibilidade das redes ópticas a manipulações em tempo real as distingue dos cristais fotônicos, cuja estrutura é determinada por sua concepção. A esperança de ser um dia capaz de guiar sem perda ondas ópticas através de estruturas fotônicas e de confinar a luz por elementos localizados que perturbem a ordem periódica alimenta especulações na praticabilidade de registros, de comutadores ou mesmo de computadores fotônicos. Enquanto até agora somente redes ópticas cúbicas simples foram estudadas, a realização de bandas proibidas omnidirecionais está condicionada à disponibilidade de geometrias particulares, tais como a geometria de diamante. Isto é somente possível com espécies atômicas com transições ópticas finas e uma estrutura dos níveis energéticos específica, como aquela de estrôncio. Nossos esforços experimentais começarão assim com o alojamento de um gás do estrôncio ultrafrio. O gás será refrigerado até degeneração quântica, transferido numa rede óptica e depois trazido num estado isolador de Mott caracterizado por uma ocupação atômica perfeitamente bem definida dos locais da rede. Enquanto experimentos iniciais serão feitos em redes cúbicas, o objetivo final é a busca de assinaturas de bandas fotônicas em redes com geometria de diamante.