Pesquisadores do IFSC/USP, juntamente com colegas das Universidade Federal do Piauí, Universidade Federal de São Carlos, Universidade de Laval (Canadá) e Universidad Nacional Mayor de São Marcos – Perú, publicaram recentemente, na revista “Scientific Reports” (do grupo editorial Nature), o artigo intitulado “Demonstration of multiple quantum interference and Fano resonance realization in far-field from plasmonic nanoestructure in ER3+ doped tellurite glass”, que, sucintamente, descreve um efeito devido a uma interação entre dois sistemas quânticos.
Para o Prof. Euclydes Marega Junior (IFSC/USP), principal autor do artigo e coordenador do grupo de pesquisa em Nanofotônica do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF), do programa CEPID financiado pela FAPESP, a descrição desse efeito é importante porque, em primeiro lugar, ele mostra que íons, emissores quânticos, conseguem interagir com a luz (campo eletromagnético) através de uma estrutura metálica em escala nanométrica. Do ponto de vista tecnológico, a importância também é bastante significativa, já que se cria a possibilidade da luz interagir com pequenas estruturas localizadas em regiões muito específicas. Já do ponto de vista da Física, isso é algo novo que ainda não tinha sido observado nesse sistema.
O artigo descreve como a radiação eletromagnética interage com íons de Érbio, sendo que eles estão nas proximidades de uma estrutura metálica muito pequena, composta por fendas, como explica o Prof. Euclydes. “Isso acontece porque existe um princípio da Física que diz que ondas eletromagnéticas só conseguem transpor objetos cujas dimensões são maiores, ou da ordem de seu comprimento de onda. Neste caso, as estruturas são bem menores do que o comprimento de onda da luz, significando que, sozinha, ela não consegue atravessar essas estruturas. Para que isto ocorra, a radiação eletromagnética interage com os elétrons livres do metal, criando o que se denomina plásmon-poláritons de superfície. Essa forma confinada é o que faz com que a radiação eletromagnética consiga interagir com objetos nesta escala de tamanho, interagindo com os íons que estão nas proximidades dessa estrutura”, pontua o pesquisador.
A Nanofotônica
O que nós estudamos é como a radiação eletromagnética interage com a matéria em escala nanométrica. Quando elas são muito pequenas, na ordem das dezenas de nanômetros, em paralelo com essas interações – além das usuais, como transmissão, reflexão etc. – acontecem outras que são governadas puramente pelo entendimento da mecânica quântica.
O artigo mostra a forma como se consegue fazer com que a radiação (na forma de plasmons-polaritons de superfície) se acople a pequenos íons nas proximidades das estruturas metálicas. Mas, a luz não consegue se acoplar com esses íons sem estar perto dessa estrutura? “Sim, consegue. Mas longe dessa estrutura o efeito é um acoplamento fraco entre o campo de readiação e o emissor quântico; já nas proximidades, as interações revelavam um acoplamento muito mais intenso e novos fenômenos são possíveis de se observar. Um deles é a ressonância de Fano que acontece quando existe uma 
interação entre dois sistemas quânticos, no caso o íon e o campo de radiação”, explica o pesquisador.
Do ponto de vista de avanço científico, o Prof. Euclydes Marega Junior realça que o artigo reflete o entendimento de como estes fenômenos acontecem nesta escala de tamanho, que não é em nível atômico, nem fotônico, mas num nível intermediário – o que se denomina de nanofotônica, que é um conceito que está começando a ganhar cada vez mais importância. “O campo de radiação, por si só, não consegue romper barreiras menores do que micrômetros. Por exemplo, repare: a internet foi uma grande revolução e a internet de banda larga potencializou ainda mais esta forma de transmissão de informação. Como levar a internet de banda larga para um país inteiro? Só com a utilização de fios metálicos condutores não se consegue fazer transmissão de dados de forma rápida e intensa. Os cabos de cobre transmitem informação através da corrente elétrica, ou seja, através de elétrons que se movimentam, mas com esse movimento geram grandes perdas fazendo com que a frequência que você consegue obter para que essa transmissão aconteça não seja muito grande”, relata o pesquisador, sublinhando que isso se traduz em que para aumentar a taxa de transmissão de dados, tem que se aumentar a frequência. “Nesse contexto, esbarramos nos limites que o movimento dos elétrons em cabos condutores nos impõem. Assim, ao invés de se utilizar cabos elétricos, a solução foram os cabos ópticos, denominados fibras ópticas, onde as perdas são muito menores e a frequência de transmissão muito maior. Por a luz ser uma frequência muito mais alta, isso significa que numa fibra óptica se consegue transmitir muito mais informações do que num cabo elétrico convencional. Isso foi o que proporcionou você ter atualmente internet de banda larga na sua casa. O ponto agora é como substituir os circuitos de processamento baseado em elétrons por circuitos ópticos, com o objetivo de se aumentar a velocidade de processamento de dados”.
Circuitos fotônicos
Prof. Euclydes Marega Junior
Do ponto de vista fundamental, este artigo científico, com uma componente experimental toda desenvolvida no IFSC/USP, oferece respostas para esses questionamentos, abrindo portas para o futuro desenvolvimento de processadores essencialmente ópticos – ou híbridos – com um extraordinário ganho nunca antes visto. O fenômeno que os pesquisadores observaram e que são relatados no artigo científico, onde todos os efeitos são puramente quânticos, remete, assim, para um futuro relativamente próximo, onde fazer computação quântica, usando circuitos fotônicos, pode se tornar realidade. De acordo com o Prof. Euclydes Marega Junior, ao invés de se usarem circuitos supercondutores que integram hoje os principais computadores quânticos em operação e que necessitam de temperaturas quase próximas ao zero absoluto, poderá se utilizar radiação eletromagnética como plataforma dessa revolução, utilizando-a em sistemas que funcionem à temperatura ambiente e em escala nanométrica.
Resumidamente, para o desenvolvimento de circuitos fotônicos, este artigo vem adicionar caminhos para fazer com que a radiação interaja em escala nanométrica e assim revolucionar a área de processamento e de miniaturização.
Para acessar o artigo científico, clique AQUI.
(Imagens: IFSC/USP – DELMIC)
Rui Sintra – Assessoria de Comunicação – IFSC/USP
