No campo da física, as dimensões sintéticas surgiram como uma das áreas de pesquisa mais dinâmicas, oferecendo um meio de investigar fenômenos em espaços de dimensões superiores além do nosso espaço 3D convencional. Esse conceito tem despertado grande interesse, especialmente na fotônica topológica, devido à sua capacidade de abrir portas para uma física rica e antes inexplorada no contexto 3D.
A criação de uma dimensão sintética, ou artificial, essencialmente implica em materializar no mundo 3D o que há muito tempo as ferramentas matemáticas permitem nas teorias. Um dos maiores desafios no espaço 3D convencional reside na realização experimental de estruturas reticuladas complexas, nas quais os elementos estão interconectados de maneiras específicas – algo facilmente realizável na matemática através do uso de matrizes. As dimensões sintéticas oferecem uma solução a esse desafio, fornecendo uma plataforma mais acessível para a criação de redes complexas de ressonadores, com acoplamentos variados, incluindo anisotrópicos, de longo alcance ou dissipativos.
Essa capacidade já resultou em demonstrações inovadoras de fenômenos como o enrolamento topológico não-hermitiano, onde a luz se comporta de maneiras exóticas em materiais não-hermitianos, e simetria de paridade-tempo. Além disso, os pesquisadores têm proposto diversas estruturas teóricas para estudar e implementar essas dimensões sintéticas, visando entender fenômenos como campos de calibre sintéticos, física quântica de Hall, sólitons discretos e transições de fase topológicas em quatro dimensões ou mais. Essas propostas têm o potencial de abrir novos caminhos para o entendimento fundamental da física.
Uma gama de parâmetros ou graus de liberdade em sistemas, como modos de frequência, modos espaciais e momentos angulares orbitais, pode ser explorada para construir dimensões sintéticas, oferecendo promessas em várias áreas, desde comunicações ópticas até lasers isolantes topológicos.
Um objetivo central nesse campo é a criação de uma rede “utópica” de ressonadores, onde qualquer par de modos pode ser acoplado de forma controlada. Alcançar esse objetivo exige uma manipulação precisa dos modos dentro dos sistemas fotônicos, o que abre caminho para melhorar a transmissão de dados, a eficiência da coleta de energia e a radiância dos lasers.
Recentemente, uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu conjuntos personalizáveis de guias de onda para alcançar exatamente isso, criando dimensões sintéticas com liberdade de manipulação dos modos. Esse avanço possibilita o controle eficiente da luz em sistemas fotônicos, eliminando a necessidade de recursos extras complexos, como não-linearidade ou não-hermiticidade.
O professor Zhigang Chen, da Universidade Nankai, na China, observou que “a capacidade de ajustar diferentes modos de luz dentro do sistema nos aproxima um passo de alcançar redes ‘utópicas’, onde todos os parâmetros de um experimento são perfeitamente controláveis”.
Os pesquisadores empregaram redes neurais artificiais (RNAs) para projetar matrizes de guias de onda no espaço real, modulando perturbações para propagações correspondentes às diferenças entre os diferentes modos de luz. Essas RNAs são treinadas para criar configurações de guias de onda que possuem exatamente os padrões de modo desejados, revelando como a luz se propaga e se confina nas matrizes.
Por fim, os pesquisadores demonstraram o uso de RNAs para projetar uma estrutura especial de rede fotônica chamada rede SSH (Su-Schrieffer-Heeger). Essa rede permite o controle da luz em toda a superfície do sistema (modo topológico), alterando a maneira como a luz viaja e exibindo as propriedades únicas das dimensões sintéticas.
As implicações deste trabalho são profundas. Ao ajustar as distâncias e frequências dos guias de ondas, os pesquisadores têm como objetivo aprimorar o design e a produção de dispositivos fotônicos integrados, como processadores de luz.
“Além da fotônica, este estudo nos oferece uma visão única da física, anteriormente inexplorada geometricamente. Suas aplicações potenciais são vastas, abrangendo desde modos de laser até óptica quântica e transmissão de dados,” enfatizou o professor Hrvoje Buljan, da Universidade de Zagreb, na Croácia.
A convergência entre a fotônica topológica e a fotônica em dimensões sintéticas, agora impulsionada pelas redes neurais artificiais, abre novas possibilidades para descobertas que podem resultar em materiais e aplicações de dispositivos inovadores, ressaltou a equipe de pesquisa.
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