No campo da física, as dimensões sintéticas têm se destacado como uma fronteira de pesquisa ativa, oferecendo a oportunidade de investigar fenômenos em espaços de dimensões superiores além do nosso espaço 3D convencional. Esse conceito tem despertado considerável interesse, especialmente na fotônica topológica, devido à sua capacidade de abrir novos caminhos para uma física rica que não está acessível no mundo 3D.
A criação de dimensões sintéticas, ou artificiais, essencialmente envolve trazer para o reino 3D material o que as ferramentas matemáticas já permitem nas teorias há muito tempo.
Um dos principais desafios no espaço 3D convencional é a realização experimental de estruturas reticuladas complexas, cujos elementos estejam interligados de maneiras específicas – algo que é facilmente realizado na matemática usando matrizes. As dimensões sintéticas oferecem uma solução para esse problema, fornecendo uma plataforma mais acessível para a criação de redes complexas de ressonadores com acoplamentos que variam em diferentes direções (anisotrópicos), com alcance longo ou dissipativos. Essa capacidade já resultou em demonstrações inovadoras de enrolamento topológico não-hermitiano e simetria de paridade-tempo, entre outros fenômenos.
Além disso, pesquisadores propuseram diversas estruturas teóricas para estudar e implementar essas dimensões sintéticas, visando domar 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 levar a novos entendimentos fundamentais em física.
Uma variedade de parâmetros ou graus de liberdade dentro de um sistema, como modos de frequência, modos espaciais e momentos angulares orbitais, podem ser utilizados para construir dimensões sintéticas, promissoras para aplicações em diversos campos, desde comunicações ópticas até lasers isolantes topológicos.
Um objetivo fundamental nesse campo é a construção de uma rede “utópica” de ressonadores, na qual qualquer par de modos possa ser acoplado de maneira controlada. Para alcançar esse objetivo, é necessária uma manipulação precisa dos modos dentro dos sistemas fotônicos, oferecendo caminhos 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 criar dimensões sintéticas com liberdade na manipulação dos modos. Esse avanço permite o controle eficaz da luz em um sistema fotônico, sem a necessidade de recursos adicionais complicados, como não-linearidade ou não-hermiticidade.
As implicações deste trabalho são substanciais, pois ao ajustar as distâncias e frequências dos guias de onda, os pesquisadores visam otimizar o projeto e a fabricação de dispositivos fotônicos integrados, como os processadores de luz. Além disso, a interação entre a fotônica topológica e a fotônica em dimensões sintéticas, agora potencializada pelas redes neurais artificiais, abre novas possibilidades para descobertas que poderão levar a materiais e aplicações de dispositivos sem precedentes.
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