Muitos esforços estãosendo feitos em todo o mundo para realizar nanoestruturas que controlam o onipresente e inevita¡vel rua­do de va¡cuo, que afeta muitos processos fa­sicos, como a emissão de luz. As nanoestruturas centrais dessa nova tecnologia são os cristais fota´nicos que manipulam o fluxo de luz semelhante a  maneira como os semicondutores manipulam as correntes eletra´nicas no chip de um laptop.

Atéo momento, sempre se pensou que esses cristais fota´nicos deveriam ser volumosos e espessos para proteger qubits e fontes de luz contra esse rua­do.

Em um estudo computacional recente ( Physical Review B , "A densidade local de estados a³pticos no gap de banda 3D de um cristal fota´nico finito" ), cientistas da Granãcia, EUA e Holanda descobriram que mesmo pequenos cristais fota´nicos protegem efetivamente o rua­do de va¡cuo por 10x ou mais. Os novos insights levam a regras de design para lasers e LEDs eficientes, células fotovoltaicas finas ou mesmo bits qua¢nticos a³pticos.

Segundo a Meca¢nica Qua¢ntica, mesmo o espaço vazio não écompletamente vazio. O espaço épreenchido com pares departículas e antiparta­culas de vida curta que aparecem e desaparecem, também conhecidas como flutuações de va¡cuo. Embora sua presença seja sutil e não possa ser observada diretamente, as flutuações interagem com os a¡tomos, agindo como rua­do que induz um a¡tomo em um estado de energia mais alta a cair para um estado de energia mais baixo enquanto emite um fa³ton. Portanto, a manipulação do rua­do do va¡cuo écrucial para projetar aplicações que empregam controle de emissão de luz, energia fotovoltaica e processamento qua¢ntico de informações.

Desde a década de 1950, os cientistas tentam entender e manipular o rua­do do va¡cuo, aprimorando ou suprimindo, dependendo da aplicação. E a questãonatural que surgiu anã: existe alguma maneira de conseguir um espaço realmente "vazio"? Em outras palavras, proibir as flutuações do va¡cuo?

Os cristais fota´nicos podem fazer exatamente isso: eles controlam o rua­do do va¡cuo consistindo em uma pilha peria³dica de camadas ou em um arranjo peria³dico de furos em um material a granel (veja a Figura 1). Parece que as flutuações de va¡cuo em uma ampla gama de comprimentos de onda são proibidas de entrar no cristal fota´nico. Essa faixa de comprimentos de onda échamada de gap de banda fota´nica. Isso implica que um a¡tomo em um estado excitado dentro de um cristal fota´nico infinito sempre permaneceria excitado! Portanto, nenhum fa³ton seria emitido.

Em um cristal fota´nico infinito, a densidade do rua­do do va¡cuo na faixa do intervalo da banda fota´nica éexatamente igual a zero. No entanto, na realidade, os cristais fota´nicos são sempre finitos, permitindo que as flutuações de va¡cuo entrem no cristal. Isso leva a  importante questãoda dependaªncia das flutuações do va¡cuo no tamanho e na posição dos "a¡tomos" no interior do cristal.

A equipe de cientistas da Granãcia, Holanda e EUA abordou essa questãocalculando a densidade das flutuações de va¡cuo em diferentes posições dentro de um cristal fota´nico tridimensional com a estrutura semelhante a um diamante (Figura 1, a  esquerda). O cristal consiste em duas matrizes ortogonais de orifa­cios de ar em sila­cio. Parece que quanto mais nos movemos para dentro do cristal, menor a densidade das flutuações de va¡cuo; a densidade diminui exponencialmente com a profundidade (veja a Figura 1 a  direita).

O principal autor Mavidis diz: “Nossos resultados fornecem regras simples de design para aplicações de nanoestruturas para melhorar a emissão de luz, absorção em células solares ou controlar bits qua¢nticos a³pticos. Já épossí­vel obter uma proteção de 10 vezes do rua­do do va¡cuo se escolhermos posições tão pequenas quanto 500 nana´metros no cristal. "

A equipe estãoentusiasmada com as consequaªncias de sua nova descoberta. Kafesaki explica: "nossa observação de que mesmo cristais fota´nicos finos são dispositivos poderosos implica que as empresas podem desenvolver produtos muito mais rapidamente, economizando recursos preciosos".

O professor Vos, co-fundador da nova empresa Twix, Quix (lema: “o caminho mais rápido para um futuro qua¢ntico”) comenta: “a observação de que mesmo estruturas finas são funcionais éexcelente para o processamento qua¢ntico de informações. Neste campo, lutamos para combater o rua­do inevita¡vel das flutuações do va¡cuo. ”

Economou, entusiasmado: “Achamos essas nota­cias fanta¡sticas, pois cristais aparentemente finos já controlam a emissão de luz que écentral para os dispositivos a laser! Os resultados atuais sugerem que os finos dispositivos de cristal fota´nico são altamente emocionantes para muitas aplicações diferentes ”.