O artigo “Giant nonlinear interaction between two optical beams via a quantum dot embedded in a photonic wire”, do qual o Prof. Pierre-Louis de Assis (DFA, IFGW) é um dos autores foi publicado na edição de maio da revista Physical Rewiew B e recebeu a indicação de seu editor para fazer parte dos artigos em destaque no website da publicação.

O artigo é o mais recente fruto de uma colaboração estabelecida desde 2012/2013, quando o Prof. Pierre-Louis realizou seu pós-doutorado no Instituto Néel do CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique, localizado em Grenoble na França. O professor conta que após o fim do seu contrato com o CNRS, em janeiro de 2014, recebeu bolsa de pós-doutorado da CAPES que incluía recursos para viagens, o que fez com que pudesse voltar outras vezes para a França a fim de continuar trabalhando nos experimentos em colaboração com o grupo de pesquisadores de lá.

A ideia da colaboração é analisar o comportamento da luz na sua interação com pontos quânticos dentro de um guia de onda – uma estrutura que canaliza a propagação da luz da mesma forma que uma fibra ótica – fabricado em GaAs. Neste caso os pontos quânticos são nanocristais de InAs que medem 10 a 100 Å (10^-10 m) de diâmetro. Cada ponto quântico é composto por alguns milhares de átomos, enquanto um pequeno grão de areia tem da ordem de um bilhão de bilhões de átomos (um número comparável à estimativa do número de grãos de areia em todas as praias e desertos da Terra). Por serem tão pequenos, podem capturar um éxiton no chamado confinamento quântico. Éxitons são elétrons do material semicondutor que ao receberem energia passam da banda de valência (onde ficam os elétrons que participam das ligações químicas do material) à de condução (onde elétrons podem formar uma corrente elétrica) e se ligam à ausência de carga que deixaram na banda de valência. No sistema estudado os éxitons existem durante tempos muito curtos (o chamado “tempo de vida”), da ordem de bilionésimos de segundo, antes do elétron retornar à banda de valência emitindo luz.

No experimento realizado foi utilizado hélio líquido para atingir uma temperatura de apenas 6 graus acima do zero absoluto. Nessa temperatura o ponto quântico se comporta como um átomo artificial com níveis de energia que correspondem à presença ou ausência de éxcitons. Este comportamento proporciona uma alta não linearidade óptica – situação em que o comportamento do sistema não é proporcional à intensidade da luz incidente, mas ao quadrado da intensidade, por exemplo, chegando a ser sensível a um único fóton. Os pontos quânticos têm aplicações em telecomunicações, bio-física, etc. Dentre as aplicações em desenvolvimento destaca-se o uso em circuitos fotônicos. O objetivo desses novos dispositivos é usar a não-linearidade para permitir o controle da propagação da luz pelo circuito usando fótons (que normalmente não interagem uns com os outros), da mesma forma como elétrons controlam o fluxo de outros elétrons em circuitos eletrônicos. Desta forma, circuitos eletrônicos poderão ser substituídos por fotônicos com muito menor dissipação de calor, uma das principais limitações da eletrônica atual.

Figura 1 (a) Ponto quântico embutido em um guia de onda afunilado, com destaque para seus níveis de um e dois éxcitons. (b) Sistema experimental utilizado para implementar o controle da refletividade, destacando o controle da polarização da luz (c) usado para distinguir melhor a luz incidente da refletida.

O guia de onda usado no experimento tem forma de um funil com 18 micrometros de altura, 2 micrometros na parte mais larga e 0,550 micrometros (ou 550 nanometros) na parte mais estreita (Fig. 1a). Um fio de cabelo humano tem em média entre 18 e 80 micrometros de diâmetro. Na montagem, vista na Fig. 1b, focaliza-se dois lasers: um de controle (control laser) e outro de sondagem (probe laser) – através de espelhos e polarizadores – na parte mais larga do guia de onda. No final do percurso, na base estreita desse funil de luz, acontece a interação dos fótons com os pontos quânticos. “A ideia é chavear a reflexão do laser de sondagem utilizando o laser de controle. São os pontos quânticos permitem que isso seja feito”, explica Pierre-Louis. Para isolar a luz refletida de forma controlada da que é refletida de forma indesejada pela superfície do guia de onda, os pesquisadores exploraram a polarização da luz, detectando fótons com polarização ortogonal à dos lasers, que interagiram com o ponto quântico de forma menos eficiente devido ao ângulo entre a polarização do laser e o eixo do dipolo elétrico formado pelo elétron e o buraco do éxiton (Fig. 1c).

Pierre-Louis explica que foram utilizadas duas maneiras para se gerar o efeito. Na primeira, tem-se o ponto quântico vazio e usa-se um laser de controle sintonizado na energia da transição de zero para um éxiton (Fig. 2a). O feixe de sonda é sintonizado na energia da transição de um para dois éxitons. A reflexão acontece quando o sistema volta ao nível de um único éxciton, emitindo luz da mesma “cor” do laser de sonda, tanto na direção incidente quanto na contrária (Fig. 2b). “O que se controla é se vamos ou não colocar o éxiton no ponto quântico. Coloca-se o laser de controle em uma frequência que nos permita colocar um éxiton no ponto quântico. O laser de sondagem deve estar ressonante com a transição de um para dois éxitons no ponto quântico. Se não existir um éxiton não vamos conseguir passar para dois, então não detectamos fótons refletidos”, esclarece o professor. Pode-se então fazer controle da reflexão da luz de uma “cor” utilizando luz de outra “cor”, tudo a baixíssima potência, da ordem de um bilhão de vezes menos que uma lâmpada convencional (Fig. 2c).

Figura 2 Experimento de refletividade do laser de sonda (a) controlada pela manipulação da população de éxitons pelo laser de controle (b). Observa-se que o aumento na refletividade acontece a partir de 10 fótons por tempo de vida e a maior refletividade ocorre para uma centena de fótons por tempo de vida (c).

Na segunda maneira, inverte-se a energia dos lasers de controle e sondagem em relação ao esquema anterior(Fig 3a). Nesse caso, quando se liga o laser de controle com a mesma energia da transição de um para dois éxitons, o efeito quântico chamado de Autler-Townes faz com que o nível de energia correspondente à presença de um éxciton se desdobre em dois, com energias um pouco diferentes (Figs. 3b e 3c). Como o laser de sondagem não se encontra mais em ressonância com a transição de vazio para um éxciton, deixa de ser refletido pelo ponto quântico (Fig. 3d). “No primeiro caso, temos um sistema que é transparente e se torna refletor e no segundo um refletor que se torna transparente”, observa Pierre-Louis.

Figura 3 Experimento de refletividade do laser de sonda (a) controlada pelo efeito Autler-Townes gerado por um laser de controle com energia igual à da transição X-XX (b). À medida que o laser de controle aumenta em potência observa-se o desdobramento dos níveis de energia (c) e a consequente queda na refletividade (d).

A segunda maneira de se obter o chaveamento da reflexão foi considerada mais interessante pelos pesquisadores, por permitir que a luz seja refletida de forma coerente. A coerência significa que há um atraso fixo (que chamamos de relação de fase) entre as oscilações da luz incidente e da luz refletida. No primeiro caso a reflexão está associada a um processo aleatório, então o atraso também varia aleatoriamente e há pouca coerência. Manter a coerência dos fótons que são refletidos é importante para aplicações envolvendo Informação Quântica. “Em termos de potência do laser de controle, o primeiro arranjo pode operar próximo do limite de um fóton por tempo de vida, porém a refletividade máxima possível de se obter está limitada a 10%, reduzindo sua utilidade como chaveador. Já o segundo modo de operação precisa de mais fótons, mas devido ao fenômeno da interferência entre o laser de sonda e a luz emitida pelo ponto quântico, pode ser 100% refletor no caso ideal”, explica o Prof. Pierre-Louis.

Segundo o Professor, a ideia já estava no ar, sendo pensada e estudada por outros grupos de pesquisa, mas essa foi a primeira demonstração experimental desse chaveamento utilizando duas “cores” de luz diferentes no infra-vermelho. Esse fato contribuiu para que o editor da PR B escolhesse esse artigo como um dos destaques do mês. “É um sistema de estado sólido e a óptica quântica está migrando para esse tipo de sistemas. Apesar de ser uma área promissora, ainda não conseguimos uma chave do tipo liga-desliga. O contraste ainda é considerado baixo, mas têm grandes chances de aprimoramento e evolução dos sistemas a ponto de chegarmos à construção dispositivos que utilizem a técnica proposta no artigo. Também temos a limitação que o efeito ocorre em temperaturas muito baixas, embora sejam ainda mais altas do que as de outros tipos de implementações de informação quântica, como os supercondutores que trabalham a temperaturas tipicamente trinta vezes menores. O mais interessante é termos dois lasers com comprimentos de onda diferentes, um controlando o outro, utilizando poucos fótons por tempo de vida”, enfatiza o professor.

O Prof. Pierre-Louis de Assis agradece ao financiamento da CAPES, da Agência Nacional de Pesquisa francesa (ANR) e do CNRS. Imagens ©2018 American Physical Society, utilizadas com autorização. O trabalho pode ser encontrado em https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.201106 (acesso restrito via Portal Periódicos CAPES).