Uma nova abordagem de primeiros princípios fornece uma base unificada para o estudo de estruturas complexas de bandas e confinamento de luz em meios periódicos
Placas de cristal fotônico são estruturas periódicas que confinam a luz em duas dimensões enquanto permitem que ela vaze na terceira. A sua periodicidade no plano força a luz a comportar-se como um electrão num cristal, formando bandas em vez de modos isolados.
Estes objetos podem acolher uma série de novos fenómenos físicos, desde ressonâncias ultranítidas até singularidades exóticas, como pontos excecionais. Entre os mais intrigantes estão estados ligados no continuum (BIC). São modos que, apesar de estarem numa faixa de energia onde a radiação é permitida, permanecem perfeitamente confinados.
Num novo estudo teórico, uma equipa de investigadores da China mostrou que esta fuga, e a sua surpreendente ausência em certos casos, pode ser compreendida a partir de um único ponto de vista dos primeiros princípios. No centro da sua abordagem estão Ondas de Bloch e o matriz de dispersão.
As ondas de Bloch são os blocos de construção naturais das ondas em estruturas periódicas. Em vez de se espalhar livremente, a luz dentro de um cristal fotônico é organizada em ondas de Bloch cujos campos se repetem de uma célula unitária para outra, até um fator de fase. Mesmo numa laje aberta, apenas um pequeno número destas ondas de Bloch se propaga através da espessura e transporta energia para o meio circundante.
A matriz de espalhamento descreve como as ondas que chegam são convertidas em ondas de saída pela estrutura periódica. Os valores de frequência onde a matriz se torna singular (seus pólos) correspondem aos modos ressonantes. Para sistemas abertos, estas frequências são complexas: a parte actual outline a posição de ressonância, enquanto a parte imaginária mede a rapidez com que a energia escapa.
Um dos principais insights deste trabalho é que a complexidade do problema entra em colapso drasticamente quando a análise é restrita ao conjunto mínimo de ondas de Bloch que realmente se propagam. A interferência entre apenas duas ondas já pode explicar estados ligados “acidentais” no continuum (BICs), onde a radiação desaparece apesar do modo estar em um canal aberto. A inclusão de três ondas produz naturalmente BICs de Friedrich-Wintgen e protegidos por simetria perto de cruzamentos de bandas. Adicionar polarização revela vórtices de campo distante e pontos excepcionais.
Ao fundamentar a fotônica ressonante em uma imagem de matriz de dispersão mínima, os autores unificam uma ampla gama de fenômenos dentro de uma estrutura única e transparente. Isso deve ser valioso para projetar ressonadores, lasers e dispositivos fotônicos topológicos eficientes.