A descoberta da luz quântica pode transformar a tecnologia

O grafeno tem sido um candidato promissor para a investigação do HHG, mas a sua simetria perfeita restringe-o à produção apenas de harmónicos ímpares – frequências que são múltiplos ímpares da fonte de luz original. Mesmo os harmônicos, que são essenciais para expandir os usos práticos desta tecnologia, têm sido muito mais difíceis de alcançar.

Materiais quânticos quebram a barreira

Num estudo recente publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesum grupo de pesquisa liderado pela Prof. Miriam Serena Vitiello alcançou um grande avanço na ciência óptica. Ao trabalhar com materiais quânticos exóticos, a equipe estendeu com sucesso o HHG para partes novas e anteriormente inacessíveis do espectro eletromagnético.

Seu trabalho centra-se em isoladores topológicos (TIs), uma classe especial de materiais que se comportam como isolantes elétricos por dentro, mas conduzem eletricidade ao longo de suas superfícies. Esses materiais exibem um comportamento quântico incomum devido ao forte acoplamento spin-órbita e simetria de reversão de tempo. Embora os cientistas tivessem previsto que os TIs poderiam suportar formas avançadas de geração de harmónicas, ninguém ainda o tinha demonstrado experimentalmente – até agora.

Amplificando a luz com nanoestruturas quânticas

Os pesquisadores projetaram nanoestruturas especializadas chamadas ressonadores de anel dividido e as integraram com finas camadas de Bi2Se₃ e heteroestruturas de van der Waals feitas de (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃. Esses ressonadores intensificaram significativamente a luz que chegava, permitindo à equipe observar HHG em frequências THz pares e ímpares, um feito excepcional.

Eles registraram conversão ascendente de frequência entre 6,4 THz (par) e 9,7 THz (ímpar), descobrindo como tanto o interior simétrico quanto a superfície assimétrica dos materiais topológicos contribuem para a geração de luz. Este resultado representa uma das primeiras demonstrações claras de como os efeitos topológicos podem moldar o comportamento harmônico na faixa THz.

Rumo à tecnologia Terahertz de próxima geração

Esta conquista experimental não apenas valida previsões teóricas de longa data, mas também estabelece uma nova base para o desenvolvimento de fontes de luz compactas em terahertz, sensores e componentes optoeletrônicos ultrarrápidos. Isso dá aos pesquisadores uma nova maneira de estudar a complexa interação entre simetria, estados quânticos e interações luz-matéria em nanoescala.

À medida que as indústrias continuam a exigir dispositivos mais pequenos, mais rápidos e mais eficientes, esse progresso destaca o potencial crescente dos materiais quânticos para impulsionar a inovação no mundo real. A descoberta também aponta para a criação de fontes de luz terahertz compactas e ajustáveis, alimentadas por métodos ópticos – um avanço que poderá remodelar tecnologias em comunicações de alta velocidade, imagens médicas e computação quântica.