With New Optical Device, Engineers Can Fine Tune The Color Of Light

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Shanhui Fan (crédito da imagem: Rod Searcey)

Abstrato:
Uma das primeiras lições que qualquer estudante de ciências do ensino fundamental aprende é que a luz branca não é nada branca, mas sim um composto de muitos fótons, aquelas pequenas gotículas de energia que formam a luz, de todas as cores do arco-íris - vermelho, laranja, amarelo , verde, azul, índigo, violeta.

Com o novo dispositivo óptico, os engenheiros podem ajustar a cor da luz

Stanford, CA | Postado em 23 de abril de 2021

Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um dispositivo óptico que permite aos engenheiros alterar e ajustar as frequências de cada fóton individual em um fluxo de luz para virtualmente qualquer mistura de cores que desejarem. O resultado, publicado em 23 de abril na Nature Communication, é uma nova arquitetura fotônica que pode transformar campos que vão desde as comunicações digitais e inteligência artificial até a computação quântica de ponta.

“Esta nova ferramenta poderosa coloca nas mãos do engenheiro um grau de controle que não era possível anteriormente”, disse Shanhui Fan, professora de engenharia elétrica em Stanford e autora sênior do artigo.

O efeito de folha de trevo

A estrutura consiste em um fio de baixa perda para a luz que transporta um fluxo de fótons que passa como tantos carros em uma via movimentada. Os fótons então entram em uma série de anéis, como as rampas de saída de uma folha de trevo na rodovia. Cada anel tem um modulador que transforma a frequência dos fótons que passam - frequências que nossos olhos vêem como cores. Pode haver quantos anéis forem necessários, e os engenheiros podem controlar com precisão os moduladores para marcar a transformação de frequência desejada.

Entre as aplicações que os pesquisadores imaginam incluem redes neurais ópticas para inteligência artificial que realizam cálculos neurais usando luz em vez de elétrons. Os métodos existentes que realizam redes neurais ópticas não mudam realmente as frequências dos fótons, mas simplesmente redirecionam os fótons de uma única frequência. Realizar tais cálculos neurais por meio da manipulação de frequência pode levar a dispositivos muito mais compactos, dizem os pesquisadores.

“Nosso dispositivo é uma partida significativa dos métodos existentes com uma pequena pegada e, ainda assim, oferece uma nova e tremenda flexibilidade de engenharia”, disse Avik Dutt, um pós-doutorado no laboratório de Fan e segundo autor do artigo.

Vendo a luz

A cor de um fóton é determinada pela frequência com que o fóton ressoa, que, por sua vez, é um fator de seu comprimento de onda. Um fóton vermelho tem uma frequência relativamente lenta e um comprimento de onda de cerca de 650 nanômetros. Na outra extremidade do espectro, a luz azul tem uma frequência muito mais rápida com um comprimento de onda de cerca de 450 nanômetros.

Uma transformação simples pode envolver a mudança de um fóton de uma frequência de 500 nanômetros para, digamos, 510 nanômetros - ou, como o olho humano registraria, uma mudança de ciano para verde. O poder da arquitetura da equipe de Stanford é que ela pode realizar essas transformações simples, mas também outras muito mais sofisticadas com controle preciso.

Para explicar melhor, Fan oferece um exemplo de um fluxo de luz de entrada composto de 20 por cento de fótons na faixa de 500 nanômetros e 80 por cento em 510 nanômetros. Usando este novo dispositivo, um engenheiro poderia ajustar essa proporção para 73 por cento a 500 nanômetros e 27 por cento a 510 nanômetros, se assim desejar, tudo preservando o número total de fótons. Ou a proporção poderia 37 e 63 por cento, por falar nisso. Essa capacidade de definir a proporção é o que torna este dispositivo novo e promissor. Além disso, no mundo quântico, um único fóton pode ter várias cores. Nessa circunstância, o novo dispositivo permite, na verdade, mudar a proporção de cores diferentes para um único fóton.

“Dizemos que este dispositivo permite uma transformação 'arbitrária', mas isso não significa 'aleatório'”, disse Siddharth Buddhiraju, que era um estudante de graduação no laboratório de Fan durante a pesquisa e é o primeiro autor do artigo e que agora trabalha no Facebook Reality Labs. “Em vez disso, queremos dizer que podemos alcançar qualquer transformação linear que o engenheiro exigir. Há uma grande quantidade de controle de engenharia aqui. ”

“É muito versátil. O engenheiro pode controlar as frequências e proporções com muita precisão e uma ampla variedade de transformações é possível ”, acrescentou Fan. “Coloca um novo poder nas mãos do engenheiro. Como eles usarão isso é com eles. ”

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Outros autores incluem os acadêmicos de pós-doutorado Momchil Minkov, agora na Flexcompute, e Ian AD Williamson, agora no Google X.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos.

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