Ilustração do processo de espalhamento da luz interna à cavidade diretamente ao guia de onda, por meio da interação entre os domínios ópticos e mecânicos (imagem: André Garcia Primo/Unicamp)

Transmitir informações de forma coerente, na banda do espectro eletromagnético compreendido entre micro-ondas e luz infravermelha, é fundamental para o desenvolvimento de redes quânticas avançadas empregadas em computação e comunicação. Um estudo feito por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), em colaboração com colegas da ETH Zürich, na Suíça, e da TU Delft, nos Países Baixos, enfocou o uso de cavidades optomecânicas nanométricas com essa finalidade. Esses ressonadores na escala do nanômetro promovem a interação de vibrações mecânicas de alta frequência com luz infravermelha, em comprimentos de onda utilizados pela indústria de telecomunicações. Artigo a respeito foi publicado pelo grupo na revista Nature Communications.

“Os ressoadores nanomecânicos atuam como pontes entre circuitos supercondutores e fibras ópticas. Os circuitos supercondutores são, hoje, uma das tecnologias mais promissoras para a computação quântica, enquanto as fibras ópticas já estão consagradas como transmissoras de informação por longas distâncias, com pouco ruído e sem perda de sinal”, diz Thiago Alegre, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW-Unicamp) e coordenador do estudo.

O pesquisador informa que uma das inovações centrais do estudo é a introdução da optomecânica dissipativa. Os dispositivos optomecânicos tradicionais dependem de interações puramente dispersivas. Nestas, apenas os fótons confinados na cavidade são eficientemente dispersos. Já na abordagem dissipativa, os fótons podem ser espalhados diretamente da guia de onda para o ressoador. “Isso possibilita maior controle da interação optoacústica”, explica Alegre.

Até o presente estudo, a interação optomecânica dissipativa só havia sido demonstrada em baixas frequências mecânicas, impedindo aplicações importantes como a transferência de estado quântico entre domínios fotônicos (ópticos) e fonônicos (mecânicos). O estudo mostrou o primeiro sistema optomecânico dissipativo operando em um regime no qual a frequência mecânica supera a taxa de dissipação óptica. “Conseguimos elevar em duas ordens de magnitude a frequência mecânica e aumentar em dez vezes a taxa de acoplamento optomecânico. Isso oferece perspectivas muito promissoras para o desenvolvimento de dispositivos ainda mais eficazes”, sublinha o pesquisador.

Redes quânticas

Os dispositivos, fabricados em colaboração com a TU Delft, empregam tecnologias bem estabelecidas na indústria de semicondutores em seu design. Vigas nanométricas de silício suspensas e livres para vibrarem permitem o confinamento da luz infravermelha e de vibrações mecânicas simultaneamente. Ao lado, um guia de onda, posicionado para permitir o acoplamento da fibra óptica à cavidade, dá origem ao acoplamento dissipativo, ingrediente fundamental para os resultados apresentados pelos pesquisadores.

O estudo oferece novas possibilidades para a construção de redes quânticas. E, além desse horizonte imediato de aplicação, estabelece também uma base para futuras pesquisas fundamentais. “Nossa expectativa é conseguir manipular individualmente os modos mecânicos e mitigar não linearidades ópticas em dispositivos optomecânicos”, conclui o professor da Unicamp.

Além de Alegre, o estudo teve a participação de André Garcia Primo, Pedro Vinícius Pinho e Gustavo Silva Wiederhecker, da Unicamp; de Rodrigo da Silva Benevides, da ETH Zürich; e Simon Gröblacher, da TU Delft. O trabalho recebeu financiamento da FAPESP por meio de sete projetos (19/09738-9, 20/15786-3, 19/01402-1, 18/15577-5, 18/15580-6, 18/25339-4 e 22/07719-0).

O artigo Dissipative Optomechanics in High-Frequency Nanomechanical Resonators pode ser acessado na íntegra em: www.nature.com/articles/s41467-023-41127-7.

Fonte: FAPESP (Por: José Tadeu Arantes / Agência FAPESP)

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