Normalmente, quando a luz viaja através de um material, ela produz uma imagem. Mas quando passa por um novo material desenvolvido por pesquisadores da Australian National University (ANU), produz duas imagens completamente independentes e diferentes – tão diferentes, aliás, quanto o contorno icônico da Sydney Opera House e do continente da Austrália. Esse efeito incomum é possível graças a estruturas em nanoescala dentro do material que manipulam a direção de viagem de uma onda de luz de uma maneira que pode ter aplicações para processamento de informações e comunicações.
As estruturas em nanoescala usadas nesta pesquisa são filmes ultrafinos que compreendem matrizes de minúsculas estruturas dielétricas que se comportam como átomos. Conhecidas como metasuperfícies, essas estruturas são frequentemente empregadas no projeto de componentes ópticos miniaturizados e também podem ser usadas para controlar a direção na qual a luz pode e não pode viajar em nanoescala. Por exemplo, alguns desses “meta-átomos” permitem que a luz flua apenas da esquerda para a direita, enquanto outros permitem viajar apenas da direita para a esquerda, explica o líder do projeto Sergey Kruk, do Centro de Física Não-linear da ANU. Eles também podem bloquear o caminho percorrido pela luz em qualquer direção.
Imagens assimétricas
No trabalho mais recente, Kruk e seus colegas projetaram suas metasuperfícies totalmente dielétricas para interagir com a luz de maneira assimétrica. Por exemplo, quando eles emitiram luz infravermelha através de uma dessas estruturas, uma imagem da Austrália apareceu na faixa visível do espectro. Quando viraram as metasuperfícies e olharam novamente, viram uma imagem da Sydney Opera House.
Esse truque de mágica óptica ocorre devido à interação complexa entre as propriedades não lineares do material e o acoplamento magneto-elétrico entre os modos ópticos de engenharia artificial, diz Kruk. “A óptica não linear estuda como os materiais interagem com feixes de luz muito brilhantes e de alta intensidade, como os produzidos por lasers”, explica ele. “Essas interações não lineares podem ser completamente diferentes de como a luz fraca e moderadamente brilhante (por exemplo, a do Sol ou de uma lâmpada) interage com os materiais”.
Os pesquisadores construíram suas metasuperfícies a partir de quatro tipos de ressonadores não lineares assimétricos, que são nanocilindros que reagem à luz através do dipolo elétrico e do dipolo magnético. Esses nanocilindros são compostos por duas camadas de materiais, silício amorfo e nitreto de silício, que possuem diferentes constantes ópticas. Neste arranjo, o acoplamento magneto-elétrico vem da assimetria introduzida pela diferença nos índices de refração entre as duas camadas.
“Um pouco como sinais de trânsito”
Os átomos na metasuperfície controlam o fluxo de luz como os sinais de trânsito controlam o tráfego em uma estrada movimentada, diz Kruk. Essa capacidade de guiar a luz em nanoescala garante que ela “vai para onde deveria ir e não para onde não deveria”, explica.
Tal controle pode ter aplicações práticas, continua Kruk. “Uma ampla implantação de minúsculos componentes que podem controlar o fluxo de luz poderia trazer mudanças tecnológicas e sociais semelhantes às transformações trazidas no passado pelo desenvolvimento de minúsculos componentes que controlam o fluxo de eletricidade, que são conhecidos como diodos e transistores, ” ele diz.
De acordo com a equipe, que também inclui físicos da Paderborn University na Alemanha, Southeast University na China e A*STAR Singapore, as metasuperfícies podem ser usadas em tecnologias associadas ao processamento de informações e comunicação – incluindo a Internet que você provavelmente está usando para ler este artigo .
“Atualmente, nossas tecnologias de informação dependem muito de nossa capacidade de controlar o tráfego de correntes elétricas dentro de chips de computadores modernos”, diz Kruk. “Projetamos e fabricamos redes incrivelmente sofisticadas de bilhões e trilhões de diodos e transistores semicondutores que atuam como sinais de trânsito e semáforos para correntes elétricas, permitindo a computação moderna”.
“Nossa pesquisa sugere que pode ser possível controlar o tráfego de feixes de luz de forma semelhante à forma como controlamos as correntes elétricas”, disse ele à Physics World. “Ao lidar com informações, se empregarmos feixes de luz em vez de correntes elétricas, muitas tarefas podem ser executadas com mais rapidez e eficiência.”
Preservando a cor da luz
Neste trabalho em estágio inicial, Kruk e seus colegas se concentraram em um processo óptico não linear (conhecido como terceira geração harmônica) que altera a cor da luz. Para aplicações futuras, no entanto, pode ser mais útil manter uma única cor. Os pesquisadores dizem que estão, portanto, trabalhando para desenvolver nanoestruturas ópticas que preservam a cor enquanto exibem funcionalidades semelhantes. “Isso será baseado em diferentes fenômenos ópticos não lineares associados aos chamados efeitos de auto-ação”, revela Kruk. “Embora a ótica não linear de materiais a granel tenha sido bem pesquisada, estamos apenas começando a entender a ótica não linear de materiais estruturados em nanoescala.”
Publicado em 04/08/2022 11h44
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