Pesquisadores propõem e demonstram uma cavidade óptica de buraco negro baseada na óptica de transformação

As cavidades do modo galeria-sussurrando (WGM) representam uma plataforma intrigante para melhorar intensamente a interação luz-matéria. Ele estabelece as bases para lasers de limiar ultrabaixo, detecção ultrassensível, óptica não linear e fotônica quântica. A cavidade WGM convencional é composta por materiais homogêneos com índice de refração constante tanto no núcleo quanto no revestimento.

Mapeamento da distribuição homogênea do índice de refração no espaço reto original (a) para uma cavidade circular OBH (b) com índice de gradiente. A região central da cavidade OBH é truncada como índice homogêneo. A cavidade quadrupolar (c1) e a cavidade tipo amendoim (c2) são transformadas a partir da cavidade circular OBH sob diferentes parâmetros estruturais. Crédito: Qingtao Ba, Yangyang Zhou, Jue Li, Wen Xiao, Longfang Ye, Yineng Liu, Jin-hui Chen e Huanyang Chen

 O campo de luz é confinado na cavidade através da reflexão interna total (TIR) e aumentado através da interferência construtiva. O fator Q ultra-alto foi realizado em várias cavidades dielétricas WGM com um grande volume de modo (V) e momento angular. No entanto, a perda de radiação intrínseca em uma cavidade de fronteira aberta com uma constante dielétrica finita é onipresente devido ao tunelamento de luz da superfície curva do análogo da mecânica quântica. 

Esta perda de radiação é notavelmente aumentada e torna-se o mecanismo de perda dominante quando o comprimento de onda ressonante é comparável ao tamanho geométrico das cavidades. Há um esforço incansável para otimizar o Q/V em cavidades ópticas, o que é muito importante na exploração da eletrodinâmica quântica de cavidades (QED).

Em um novo artigo publicado na eLight, cientistas liderados pelo Professor Huanyang Chen e Dr. Jin-hui Chen da Universidade de Xiamen investigaram as cavidades WGM. Seu artigo, intitulado “buraco negro óptico conformado para cavidade”, propôs e demonstrou uma cavidade de buraco negro óptico (OBH) baseada em óptica de transformação.

(a) Configuração experimental do sistema de varredura de campo próximo de microondas. Inset: fotografia da amostra fabricada. (b) Projete distribuições de tamanho de abertura em estruturas em camadas OBH. (c) Comparação do fator Q simulado na cavidade OBH contínua e discreta com vários números de modo azimutal. (d) Espectros ressonantes normalizados experimentais da cavidade OBH e cavidade homogênea com número de modo m=3 e m=4. As curvas sólidas são acessórios de Lorentz. Padrão de campo WGM medido com número de modo (e1) m=3 e (e2) m=4. Padrão de campo WGM simulado com número de modo (f1) m=3 e (f2) m=4. As curvas brancas são o limite do núcleo e do material de revestimento do dispositivo de cavidade OBH. Crédito: Qingtao Ba, Yangyang Zhou, Jue Li, Wen Xiao, Longfang Ye, Yineng Liu, Jin-hui Chen e Huanyang Chen

Várias abordagens foram propostas para manipular a perda de radiação e melhorar o fator Q. Por exemplo, a cavidade plasmônica foi construída empregando as fortes localizações de campos ópticos dos metais. No entanto, a perda ôhmica intrínseca na plataforma plasmônica é inevitável. Alternativamente, os revestimentos radialmente anisotrópicos foram implementados para comprimir mais energia no núcleo da cavidade, resultando em um confinamento óptico mais apertado e um fator Q substancialmente mais alto. Infelizmente, os parâmetros anisotrópicos ainda são difíceis de implementar para materiais naturais.

A óptica de transformação (TO) oferece grande versatilidade para manipulação de raios de luz e campos eletromagnéticos com novas funcionalidades. Muitas estruturas ópticas fascinantes projetadas por TO permitem a deflexão e o aprisionamento da luz para imitar os efeitos da cosmologia.

A equipe de pesquisa utilizou a teoria TO para construir uma classe de cavidades OBH. Os campos WGM fora do núcleo da cavidade circular OBH são revelados para seguir uma regra de decaimento não convencional do mapeamento conforme. Empregando o modelo de potencial efetivo, eles provaram que a perda de radiação de WGM na cavidade OBH ideal pode ser completamente inibida; assim, o fator Q da radiação é infinito. 

A equipe também demonstrou o aprimoramento do fator Q e o confinamento de campo apertado da cavidade OBH truncada. Isso foi comparado a uma cavidade homogênea nos espectros de micro-ondas. A cavidade circular OBH é ainda aplicada às cavidades de formato arbitrário, incluindo estruturas de núcleo único e multinúcleo com alto fator Q.

Esta pesquisa abre o caminho para a manipulação de campo de superfície com transformação conforme. Pode ser generalizado para modos ressonantes de vários sistemas de ondas, como ondas acústicas e elásticas, e encontra aplicações em captação de energia e optoeletrônica.

Fonte: phys.org