Politigeneralisten vs. politispesialisten

Transistores s˜ao componentes el´etricos b´asicos em microeletrˆonica e cir- cuitos integrados sendo pe¸cas fundamentais de computadores e sistemas de te- lecomunica¸c˜oes modernos. Eles agem essencialmente como interruptores (“swit- ches”) direcionando o fluxo de eletricidade para executar a maioria das fun¸c˜oes em circuitos. Desde sua inven¸c˜ao em 1947 os transistores tem sido reduzidos continuamente em tamanho e aumentado sua velocidade de execu¸c˜ao, desencade- ando uma revolu¸c˜ao nas tecnologias de aquisi¸c˜ao de informa¸c˜ao, processamento e comunica¸c˜ao.

Muitos fenˆomenos tem imposto limita¸c˜oes de tamanho em circuitos or- din´arios de tal forma que a comunidade cient´ıfica tem buscado outra revolu¸c˜ao tecnol´ogica na tentativa de explorar uma nova gera¸c˜ao de dispositivos bem mais r´apidos que possam operar nos princ´ıpios da mecˆanica quˆantica. O potencial para constru¸c˜ao de dispositivos para o processamento de informa¸c˜ao e computa¸c˜ao cujos sinais s˜ao transmitidos por f´otons em vez de el´etrons ´e reconhecido desde a d´ecada de 1970 com o advento dos laseres. Existe uma busca incessante para o desenvolvimento de transistores ´opticos, pois estes podem formar a base de computadores ´opticos [100, 101] com potencial de processar informa¸c˜ao da mesma forma que os computadores eletrˆonicos mas com funcionalidades bem mais r´apidas.

O controle da biestabilidade apresentado nesse cap´ıtulo nos permite ex- plorar dispositivos que possam operar em dois estados est´aveis. O transistor ´optico ´e um deles pois ´e necess´aria a existˆencia de dois estados ON e OFF para a fun¸c˜ao de switch. Como outros exemplos, opera¸c˜oes aritm´eticas s˜ao descritas por dois estados representados pelos n´umeros bin´arios 0 e 1, enquanto que em opera¸c˜oes l´ogicas os dois estados s˜ao definidos por verdadeiro e falso. A mem´oria de um computador armazena o resultado de opera¸c˜oes aritm´eticas e l´ogicas em dispositivos que ocupam um, no total de dois estados, ou seja, todas essas aplica¸c˜oes s˜ao baseadas em dispositivos que possuem dois estados est´aveis e desenvolvem fun¸c˜oes b´asicas de um computador.

Na Figura 3.6 analisamos o comportamento do campo transmitido do sistema ´atomo-cavidade em fun¸c˜ao do campo incidente mostrando que para certos valores de ΩC pode ser observado ou n˜ao um ciclo de histerese na transmiss˜ao. No

limite em que o ciclo de histerese n˜ao ´e observado obt´em-se uma curva semelhante `a curva de transferˆencia caracter´ıstica de um transistor eletrˆonico, como mostra a Figura 3.20(a) e (b). Logo, um sistema ´atomo-cavidade com esta transmiss˜ao poderia a princ´ıpio ser utilizado como um transistor ´optico. Na Figura 3.20(b), extra´ıda da referˆencia [94], ´e mostrado tamb´em o ponto bias, ou de repouso, o qual define o ponto operacional do transistor. No caso do transistor ´optico seria interessante se n˜ao fosse necess´ario ajustar precisamente esse ponto operacional pois daria maior flexibilidade e viabilidade ao dispositivo, mas em se tratamento de fenˆomenos coerentes de interferˆencia dos feixes luminosos ´e prov´avel que este procedimento tamb´em seja inevit´avel e o ponto “bias” ´optico do sistema precisaria ser encontrado.

FIGURA 3.20: (a) Campo transmitido em fun¸c˜ao do campo incidente do sistema ´atomo-campo de trˆes n´ıveis apresentado na Figura 3.6 para ΩC= 1κ, N = 100, g0= 0, 5κ, Γ31= Γ32= 0, 5κ,

γ2 = γ3= 0 e ΔP = 0, 1κ. O perfil da curva ´e an´alogo `a curva de transferˆencia caracter´ıstica

de um transistor eletrˆonico em (b), justificando o uso da terminologia transistor ´optico para o sistema ´atomo-cavidade. A linha vertical em (b) mostra o ponto bias do transistor eletrˆonico. Este gr´afico foi extra´ıdo da referˆencia [94].

Adicionalmente ao transistor ´optico performado pelo sistema ´atomo- campo de trˆes n´ıveis, o qual podemos obter a fun¸c˜ao de switch para diferentes combina¸c˜oes de parˆametros, como mostrado na se¸c˜ao anterior, tamb´em implemen- tamos um sistema transistor utilizando ´atomos de dois n´ıveis. Pela configura¸c˜ao da Figura 3.13(a) ´e poss´ıvel controlar o fluxo de f´otons que s˜ao transmitidos da cavidade, como j´a mostrado no protocolo de informa¸c˜ao da Figura 3.14, utilizando

um segundo campo externo acoplando a transi¸c˜ao |1 ↔ |3 em vez de um pulso, juntamente com o campo da cavidade. Portanto, em vez de h(t) considera-se a frequˆencia de Rabi do campo de controle ΩC o qual ´e mantido ligado durante

todo o tempo.

A Figura 3.21(a) mostra a transmiss˜ao em fun¸c˜ao de ΩC para um sis-

tema composto por N = 1000 ´atomos de dois n´ıveis n˜ao interagentes no regime (N0, n0) >> 1. A n˜ao linearidade, que ´e o fenˆomeno central por tr´as da opera¸c˜ao

de um transistor t´ıpico, ´e tamb´em observada neste sistema uma vez que um pequeno aumento da amplitude do campo incidente de controle pode causar um ganho significativo na transmiss˜ao. Note pela Figura 3.21(b) que o campo de controle conduz o sistema a um estado de satura¸c˜ao com as popula¸c˜oes dos estados fundamental |1 e excitado |3 em 50%. A transmiss˜ao sofre um colapso ap´os um certo limite, tipicamente observado em sistemas biest´aveis, diminuindo assintoticamente para o n´umero de f´otons da cavidade vazia ε2_/κ2 _{= 10.}

Analogamente ao sistema de trˆes n´ıveis um ciclo de histerese ´e formado quando diminu´ımos o valor de ΩC de volta a zero. Isso significa que a quantidade

de luz no interior da cavidade ainda ´e suficiente para manter o meio atˆomico no estado de satura¸c˜ao, fazendo com que a transmiss˜ao n˜ao retorne pelo mesmo caminho. Esse sistema ´e muito interessante pois o ciclo de histerese pode ser mo- dificado atrav´es do n´umero de ´atomos, uma vez que este ´e o principal parˆametro de influˆencia na satura¸c˜ao do sistema como discutido nas Figuras 3.9 e 3.10. Para um n´umero fixo de ´atomos n˜ao ´e poss´ıvel observar altera¸c˜oes significativas no ciclo de histerese pela modifica¸c˜ao da amplitude ε do campo de prova.

A evolu¸c˜ao temporal da transmiss˜ao do sistema para alguns valores de ΩC ´e mostrada na Figura 3.22(b). Utilizando um campo de prova equivalente a

ˆn = 10 f´otons, mostramos que ´e poss´ıvel atenuar ou amplificar coerentemente o campo transmitido, dependendo da amplitude do segundo campo o qual funciona como um “gate”. O sistema evolui no estado estacion´ario OFF com o campo de controle desligado at´e t0 = 5μs. Quando acionamos ΩC o sistema evolui para o

estado ON suavemente. A velocidade do switch pode ser controlada atrav´es de uma fun¸c˜ao que liga o campo de controle no tempo t0. Neste caso utilizamos a

FIGURA 3.21: (a) Campo transmitido do sistema ´atomo-campo de dois n´ıveis em fun¸c˜ao da frequˆencia de Rabi do campo incidente de controle para N = 1000 ´atomos, g0 = 0, 1κ,

ε =√10κ, Γ31= 0, 5κ, γ3 = 0 e ΔP = 0. As setas inseridas indicam o ciclo de histerese que

aparece mapeando o campo de controle, aumentando e diminuindo ΩC a partir de zero. (b)

Popula¸c˜ao dos estados fundamental |1 e excitado |3 utilizando os mesmos parˆametros de (a).

fun¸c˜ao tangente hiperp´olica f (t) = A · tanh(t − t0), sendo A uma constante de

normaliza¸c˜ao.

Note que o contraste entre os estados OFF e ON s˜ao ajust´aveis, o que ´e uma caracter´ıstica muito interessante para dispositivos l´ogicos ´opticos. Na ilus- tra¸c˜ao da Figura 3.22(a) fizemos uma representa¸c˜ao do sistema ´atomo-cavidade- campos para o transistor ´optico em analogia ao transistor eletrˆonico, mostrando que o primeiro tamb´em possui trˆes terminais descritos pelos campos de prova, controle e transmiss˜ao, cuja combina¸c˜ao ´e utilizada para controlar o fluxo de f´otons no sistema.