Investigadores financiados pela UE criaram luz supersólida em laboratório e estão agora a explorar como este novo e estranho estado da matéria poderá alimentar tecnologias do mundo real.
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A luz pode ser sólida? Acontece que, no mundo microscópico do reino quântico, talvez possa. Num estudo inovador financiado pela UE publicado recentemente na revista "Nature", uma equipa de investigadores conseguiu criar luz supersólida – um estranho estado híbrido da matéria que combina a estrutura de um sólido com o fluxo sem atrito de um superfluido.
Da teoria à aplicação
Agora, o seu foco está a mudar da teoria para a aplicação, à medida que exploram como esta descoberta pode abrir caminho para avanços na computação quântica e nas tecnologias fotónicas, incluindo as redes neurais óticas que alimentam a IA. Daniele Sanvitto, um importante físico especializado em interações luz-matéria, dirigiu a investigação no Conselho Nacional de Investigação (CNR) de Itália.
"Encontrámos uma fase supersólida num estado que combina luz e matéria", disse Sanvitto, que é diretor de investigação no Instituto de Nanotecnologia (CNR NANOTEC) em Lecce, Itália, e coordena uma iniciativa de investigação de quatro anos financiada pela UE chamada Q-ONE.
Combinando os conhecimentos de cientistas dos principais institutos de investigação de Itália, Áustria e EUA, a equipa conseguiu criar um estado de luz e matéria que era simultaneamente um sólido cristalino mas que também fluía como um líquido.
Esta descoberta foi conseguida através do aproveitamento de uma partícula híbrida conhecida como excitão-polaritão, que combina propriedades da luz (fotão) e da matéria (excitão). Com a sua ajuda, os investigadores estão a abrir novas fronteiras científicas com um potencial de aplicações que se estendem muito para além do laboratório, na Europa e no mundo.
Este grande avanço da física quântica chega também num momento oportuno. A 16 de maio celebra-se o Dia Internacional da Luz, o aniversário da primeira utilização de um laser, em 1960, pelo físico americano Theodore Maiman.
A investigação da Q-ONE sobre os supersólidos mostra o caminho que este campo de investigação percorreu desde então.
Luz supersólida
A maioria de nós está familiarizada com os estados regulares da matéria - sólido, líquido e gasoso. Mas há outros estados exóticos que também podem ser criados, como os superfluidos, líquidos que fluem sem resistência. Os super-sólidos são outro estado exótico.
"Se um superfluido adquire alguma estrutura ordenada no espaço, como um cristal, então é chamado de supersólido", disse Sanvitto. "Parece um sólido, mas ao mesmo tempo pode mover-se, em princípio, sem fricção."
Há oito anos, Sanvitto e a sua equipa demonstraram que a luz podia propagar-se como um fluido no interior de um semicondutor. Agora, levaram essa investigação mais longe, criando uma estrutura ordenada feita de partículas invulgares de luz e matéria.
Estas partículas formam-se quando os fotões - partículas de luz - interagem fortemente com excitações electrónicas num semicondutor, criando entidades híbridas conhecidas como excitões-polaritões.
Uma vez que combinam as propriedades da luz e da matéria, abrem novas possibilidades de manipulação da luz de formas nunca antes possíveis.
Os supersólidos, materiais que se comportam simultaneamente como um sólido e um superfluido, só foram observados até agora em gases atómicos ultra-frios. Mas isso está a começar a mudar.
"Somos os primeiros a mostrar que os supersólidos também se podem formar em dispositivos de estado sólido que não requerem temperaturas ultra-frias", disse Sanvitto.
Esta descoberta permite explorar aplicações reais sem necessidade de recorrer a configurações laboratoriais complexas e ultra-frias como as utilizadas para os condensados atómicos. Isto abrirá potencialmente o caminho para novas tecnologias no domínio da computação, da deteção e outras.
"É emocionante porque significa que podemos explorar fenómenos físicos inteiramente novos num chip semicondutor."
Estados quânticos
Os investigadores do Q-ONE pretendem criar e identificar diferentes estados quânticos da matéria utilizando redes neurais quânticas de polaritões.
"O nosso objetivo na investigação Q-ONE é aproveitar as fortes propriedades não lineares dos polaritões para construir uma rede neural artificial que possa não só identificar, mas eventualmente criar estados quânticos de luz", disse Sanvitto.
A equipa de investigação Q-ONE não é o único grupo que explora a interseção entre os estados quânticos e a IA. Desde 2010, a Professora Barbara Piętka, física da Universidade de Varsóvia, lidera também um grupo de investigação centrado em excitões-polaritões.
Piętka está atualmente a coordenar um projeto de investigação de quatro anos chamado PolArt, apoiado pelo Conselho Europeu de Inovação. A sua equipa está a trabalhar em estreita colaboração com a equipa de Sanvitto no CNR em Itália, bem como com outros investigadores de renome na área, de França, Itália, Polónia e Singapura.
Redes neuronais
O seu trabalho procura especificamente formas de utilizar excitões-polaritões com redes neuronais artificiais.
"Os excitões-polaritões são o nosso bloco de construção", disse Piętka. "Estamos a utilizar estas partículas, conhecidas como quasipartículas, para construir grandes redes neuronais."
De acordo com Piętka, muito do que estão a fazer foi possível graças a trabalhos como o de Sanvitto, que demonstrou que os excitões-polaritões podem ser utilizados para construir redes avançadas de computação neural: redes de computadores que imitam a estrutura e a função do cérebro e do sistema nervoso humanos.
Uma possibilidade explorada pela equipa PolArt é integrá-los em chips utilizando cristais feitos de um material chamado perovskite. Em comparação com os chips de computador convencionais que emulam redes neuronais, a abordagem baseada em polaritões consome significativamente menos energia e oferece velocidades de processamento mais rápidas.
"Podemos realizar uma única operação utilizando apenas alguns fotões", disse Piętka.
Maior, mais rápido, melhor
Piętka e a sua equipa estão a trabalhar para aumentar a escala das suas redes neurais baseadas em polaritões para lidar com tarefas cada vez mais complexas.
"Estamos a construir redes cada vez maiores que nos permitem enfrentar desafios mais sofisticados", explica.
Esta abordagem poderá vir a fornecer modelos linguísticos de grande dimensão mais rápidos e eficientes. Estes modelos avançados de IA foram concebidos para terem um bom desempenho utilizando menos recursos, e estão cada vez mais presentes na nossa vida quotidiana.
"Quanto maior for a rede, mais avançada é a tarefa que pode realizar", disse Piętka.
Papel principal
Segundo Sanvitto, a Europa está atualmente na vanguarda da investigação sobre os excitões-polaritões.
"A concorrência é intensa - especialmente com a China a investir fortemente na ciência - mas a Europa está a liderar grande parte deste domínio neste momento", afirmou. Piętka concorda, observando que a investigação sobre as redes neuronais de polaritões continua a concentrar-se em grande parte na Europa.
No entanto, esta liderança, graças em parte ao financiamento da UE, nomeadamente através do Conselho Europeu de Investigação e do Conselho Europeu de Inovação, corre o risco de desaparecer se não aumentarmos os investimentos na ciência.
"É crucial que a Europa continue a investir nesta investigação e, de um modo mais geral, na ciência fundamental para se manter na vanguarda", afirmou Sanvitto.
Ambas as equipas têm mais trabalho pela frente - e grandes esperanças. "O objetivo final é desenvolver uma rede que processe dados com a máxima velocidade e eficiência", disse Piętka.
Este artigo foi originalmente publicado na Horizon, a Revista de Investigação e Inovação da UE.