Levitação de objetos macroscópicos com luz

Pesquisadores da Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia) estão desenvolvendo uma maneira de fazer levitar e impulsionar objetos usando apenas a luz, através da criação de determinados padrões, em nanoescala, na superfície dos objetos.

© H. Atwater (ilustração de objeto nano-modelado reorientado)

Embora ainda esteja na etapa teórica, o trabalho é um passo em direção ao desenvolvimento de uma espaçonave que poderia alcançar o planeta mais próximo fora do nosso Sistema Solar em 20 anos, alimentada e acelerada apenas pela luz.

A pesquisa foi feita no laboratório de Harry Atwater, Howard Hughes Professor de Física Aplicada e Ciência de Materiais na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech.

Décadas atrás, o desenvolvimento das chamadas “pinças ópticas” permitiu que os cientistas movessem e manipulassem objetos minúsculos, como nanopartículas, usando a pressão radiativa de um feixe de luz do laser nitidamente focado. Este trabalho formou a base para o Prêmio Nobel de Física de 2018. No entanto, as pinças só são capazes de manipular objetos muito pequenos e apenas a distâncias muito curtas.

Ognjen Ilic, pós-doutorando e autor do estudo, oferece uma analogia: "Pode-se levitar uma bola de pingue-pongue usando um fluxo constante de ar de um secador de cabelo. Mas não funcionaria se a bola de pingue-pongue fosse muito grande ou se estivesse muito longe do secador de cabelo, e assim por diante".

Com essa nova pesquisa, objetos de diversas formas e tamanhos, de micrômetros a metros, poderiam ser manipulados com um feixe de luz. A chave é criar padrões específicos em nanoescala na superfície de um objeto. Esse padrão interage com a luz de tal forma que o objeto pode se endireitar quando perturbado, criando um torque de restauração para mantê-lo no feixe de luz. Assim, em vez de exigir raios laser altamente focalizados, o padrão dos objetos é projetado para "codificar" sua própria estabilidade. A fonte de luz também pode estar a milhões de quilômetros de distância.

"Nós criamos um método que pode levitar objetos macroscópicos", diz Atwater, que também é diretor do Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial. "Há uma aplicação audaciosa e interessante para usar essa técnica como meio de propulsão de uma nova geração de naves espaciais. Estamos longe de realmente fazer isso, mas estamos no processo de testar os princípios."

Em teoria, essa espaçonave poderia ser modelada com estruturas em nanoescala e acelerada por uma luz laser baseada na Terra. Sem precisar carregar combustível, a espaçonave pode alcançar velocidades muito altas, até relativísticas, e possivelmente viajar para outras estrelas.

Atwater também prevê que a tecnologia poderia ser usada aqui na Terra para permitir a rápida fabricação de objetos cada vez menores, como placas de circuito.

Um artigo descrevendo a pesquisa aparece na edição on-line da revista Nature Photonics.

Fonte: Caltech

A luz poderá existir em nova forma

Uma nova pesquisa sugere que é possível originar uma nova forma de luz ao ligá-la a um único elétron, que combina as propriedades desta partícula da matéria com as da luz.

© V. Giannini (luz capturada na superfície de um isolador topológico)

De acordo com os cientistas que desenvolveram este estudo no Imperial College London, a luz e o elétron acoplados terão propriedades que podem levar à fabricação de circuitos que trabalham com fótons em vez de elétrons.

Também provavelmente permitirá o estudo dos fenômenos físicos quânticos que regem as partículas subatômicas, mas numa escala visível.

Em materiais normais, a luz interage com uma série de elétrons dispostos na superfície e no interior do material. Mas usando a física teórica para modelar o comportamento da luz e um tipo recém-descoberto de materiais designados isoladores topológicos, os pesquisadores do Imperial College London descobriram que esta poderá interagir apenas com um elétron na superfície.

Isso produziria um acoplamento que funde algumas das propriedades da luz e do elétron. Normalmente, a luz viaja em linha reta, mas, quando ligada ao elétron irá, em vez disso, acompanhar o seu percurso, seguindo a superfície do material.

No estudo o Dr. Vincenzo Giannini e seus colegas modelaram essa interação em torno de uma nanopartícula feita de um isolante topológico.

Os modelos demonstraram que a luz adquire algumas propriedades do elétron e que, circulando a partícula, o elétron também adquire algumas das propriedades da luz.

Normalmente, como os elétron viajam ao longo dos materiais, tais como os constituintes dos circuitos elétricos, eles param quando confrontados com um defeito. No entanto, a equipe do Dr. Giannini descobriu que mesmo que houvesse imperfeições na superfície da nanopartícula, o elétron ainda seria capaz de prosseguir com a ajuda da luz.

Se este comportamento puder ser adaptado aos circuitos fotônicos, estes seriam mais robustos e menos vulneráveis a perturbações e imperfeições físicas.

“Os resultados desta pesquisa terão um enorme impacto sobre a forma como concebemos a luz, os isoladores topológicos só foram descobertos na última década, mas já nos proporcionam novos fenômenos para estudar e novas maneiras de explorar conceitos importantes na física,” disse Giannini.

Acrescentou que deve ser praticável observar os fenômenos que ele modelou em experiências recorrendo à tecnologia atual, e a equipe está trabalhando com os físicos experimentais para tornar isso uma realidade.

Ele considera que o processo que origina esta nova forma de luz pode ser ampliado de modo a que o fenômeno possa ser observado com incomparável facilidade.

Atualmente, os fenômenos quânticos só podem ser observados quando se estudam objetos muito pequenos ou objetos que foram muito arrefecidos, mas esta provável descoberta poderá permitir aos cientistas estudar estes comportamentos à temperatura ambiente.

Fonte: Nature Communications

Vibrações inesperadas em nanomaterial

Um grupo de físicos brasileiros observou pela primeira vez em detalhe como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo, conhecido como fósforo negro.

© MackGraphe (cristal de fósforo negro)

A imagem mostra o cristal de fósforo negro observado ao microscópio de força atômica: as cores na borda superior indicam a intensidade de vibração de átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas.

O fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Foi sintetizado pela primeira vez em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas um século mais tarde.

A equipe coordenada pelo físico brasileiro Christiano de Matos descreve uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno, formado por uma só camada de átomos de carbono e uma das grandes promessas da nanotecnologia. “As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal”, conta Matos, físico do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie.

Segundo o pesquisador, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o design de um dispositivo nanotecnológico, como um transistor ou um sensor de luz. Entretanto, o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração.

Na escala dos objetos medidos em milionésimos de milímetros (nanômetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fósforo negro começaram a ser identificadas, em 2014, o interesse dos pesquisadores de diversas áreas por esse material vem crescendo. Chamam a atenção a sua capacidade de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que, de acordo com especialistas, podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Em termos estruturais, o fósforo negro é semelhante à grafite, o mesmo material usado em lápis. Tanto um quanto outro são formados por folhas de apenas um átomo de espessura empilhadas umas sobre as outras, as camadas monoatômicas de fósforo são chamadas de fosforeno, e as de carbono recebem o nome de grafeno.

Mas as propriedades especiais desses materiais aparecem sob condições distintas. A alta resistência mecânica e a boa capacidade de conduzir calor ou eletricidade do carbono aparecem principalmente quando este elemento químico está disposto em uma folha de um só átomo de espessura, ou seja, encontra-se na forma de grafeno. Já com o fósforo negro é diferente. Suas propriedades se tornam evidentes à medida que os pesquisadores esfoliam o material e chegam a uma dezena (ou até menos) de camadas empilhadas. Essa característica pode permitir controlar mais facilmente as propriedades do material simplesmente adicionando ou eliminando camadas.

Em experimentos conduzidos no MackGraphe, o estudante de doutorado Henrique Ribeiro, orientado por Matos e pelos físicos Marcos Pimenta, da Universidade Federal de Minas Gerais, e Eunézio Antônio de Souza, do MackGraphe, fez feixes de laser incidirem sobre amostras de fósforo negro compostas de diferentes números de camadas atômicas, com espessura variando de 6 a 300 nanômetros. Parte dessa luz é absorvida e parte é espalhada pelos átomos do material. A luz absorvida fornece energia para os átomos vibrarem, alterando as propriedades, em especial, a frequência e a polarização da luz espalhada.

Em seguida, os pesquisadores compararam as medições feitas no experimento com os resultados de simulações feitas pelo físico Cesar Pérez Villegas, que faz estágio de pós-doutorado sob a supervisão de Alexandre Rocha no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São Paulo. Da comparação, os físicos deduziram como os átomos vibravam ao receber o laser e concluíram que, nas bordas do fósforo negro, os átomos oscilavam de maneira específica, distinta daquela dos átomos do restante do material. Essas vibrações de borda apareceram em todas as amostras, independentemente de sua espessura.

Experimentos semelhantes ao feito agora com o fósforo negro já haviam sido realizados com o grafeno e mostrado que, embora seus átomos vibrem da mesma maneira tanto na borda como em seu interior, a luz espalhada nas bordas deste material pode apresentar frequência diferente da espalhada por seu miolo. A vibração dos átomos viaja pelo material na forma de ondas. No grafeno, a borda funciona como um espelho em que a onda bate e volta refletida. É essa reflexão que modifica a frequência da luz espalhada. Já no fósforo negro, a vibração diferente é explicada por um leve deslocamento dos átomos na borda das camadas de fosforeno. “No fosforeno, os átomos da borda têm uma posição de equilíbrio diferente da dos átomos do meio do material”, conta Matos. “Isso os faz vibrar de modo distinto.”

Fonte: Nature Communications

Triângulos emissores de luz

Pesquisadores nos EUA conseguiram pela primeira vez produzir naturalmente camadas únicas de átomos do mineral tungstenite.

© Terrones Lab (camadas triangulares de tungstenite)

As folhas parecem ter propriedades de fotoluminescência invulgares que podem ser exploradas em dispositivos ópticos como lasers e diodos emissores de luz.
Os materiais 2D têm diferentes propriedades eletrônicas e mecânicas de seus pares em 3D e assim é possível encontrar utilidade em uma variedade de aplicações de dispositivos inovadores. Até agora, no entanto, a maioria das pesquisas neste campo centrou-se sobre o mais famoso dos materiais 2D, o grafeno, mas o fato de que esse material não tem um gap eletrônico direto significa que outros candidatos 2D também devem ser explorados.
Uma equipe liderada por Mauricio Terrones e Crespi Vicente da Penn State University, nos EUA, produziram monocamadas de tungstenite (WS₂). Depositando minúsculos cristais de óxido de tungstênio com menos de um nanômetro de altura e, em seguida, passando estes cristais de enxofre em vapor com altas temperaturas de 850 °C. O resultado gerou monocamadas de dissulfureto de tungstênio dispostas num padrão com formato colmeia de abelha triangular que compreendem átomos de tungstênio ligados a átomos de enxofre.
Foi observado que esses triângulos brilham fortemente em suas bordas, ao invés dos seus centros; um efeito de fotoluminescência periférico que nunca obtido e que não tem sido relatado antes.
A fotoluminescência ocorre quando os portadores de carga (elétrons e lacunas) recombinam numa estrutura para emitir luz de um comprimento de onda diferente do que é utilizado para excitar o primeiro material. Os defeitos estruturais criados perto das bordas de um triângulo parece ser o lugar privilegiado para emissão de luz.
Os sistemas 2D são intrinsecamente diferentes dos seus homólogos a granel em 3D, e o WS₂ não é exceção. Enquanto o material a granel é um semicondutor de gap indireto, o material de camada única, dispõe de um gap direto. Os gaps diretos são importantes em semicondutores, porque permitem que os dispositivos feitos a partir destes materiais emitem luz eficientemente.
Segundo a equipe, os triângulos de WS₂ podem ser apliacados em optoeletrônica. Futuramente, eles poderão até vir a calhar como biomarcadores ou em tecnologia a laser.
Os pesquisadores agora planejam produzir outros materiais 2D que têm diferentes propriedades ópticas e eletrônicas. Alguns exemplos incluem MoSe₂, NbS₂ e WSe₂. A equipe almeja compreender e controlar a emissão de luz a partir de materiais 2D com melhor eficiência, e tentar esculpir os triângulos em múltiplos dispositivos.

Fonte: Nano Letters

Isolando pedaços de luz

Ondas possuem picos e vales, sejam elas as ondas do mar ou as ondas eletromagnéticas.

© Thorsten Naeser (pulsos no ultravioleta, visível e infravemelho)

Quando duas ondas, com diferentes comprimentos de onda, se sobrepõem precisamente, esses padrões de picos e vales se tornam mais complexos e menos repetitivos.

Eventualmente, na sequência da interação, não haverá mais nenhum ciclo, apenas um ponto isolado, apontando em alguma direção específica.

Mas Adrian Wirth e seus colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, acabam de confinar um feixe de luz de grande espectro em pulsos que são mais curtos do que um único ciclo óptico.

A luz original é um feixe de laser branco, que contém comprimentos de onda que vão do infravermelho próximo ao ultravioleta, passando pelo espectro visível, uma espécie de arco-íris.

Esse laser branco é dirigido para o "sintetizador luminoso", o novo aparato criado pelos pesquisadores. De forma similar a um sintetizador de som, que superpõe as ondas sonoras de diferentes frequências para criar sons e ritmos diferentes, o sintetizador de luz superpõe ondas ópticas de diferentes cores e fases para criar vários formatos de onda. Os feixes são visualizados com a ajuda de vapor de nitrogênio.

© Thorsten Naeser (protótipo do sintetizador de campo luminoso)

O resultado é um pacote único de luz, mais curto do que uma onda completa da luz.

Essa "luz sem ciclo" compacta todas as interações entre os diversos comprimentos de onda em um único ponto luminoso.

Essa aplicação cria deverá viabilizar o estudo da dinâmica dos elétrons de uma forma que não era possível até agora, porque essas alterações eletrônicas acontecem em escalas temporais muito pequenas.

Isso permitirá, por exemplo, que os cientistas acompanhem os detalhes das reações químicas, hoje basicamente restritas ao "antes e depois" da própria reação.

A produção de transientes ópticos de sub-ciclo abre novas perspectivas para dirigir o movimento dos elétrons em escala atômica com a força elétrica da luz, assim como para conduzir complexas dinâmicas nas camadas de valência de moléculas.

Essa ferramenta será crucial para o desenvolvimento da chamada fotossíntese artificial, que depende da compreensão detalhada das reações químicas que os fótons do Sol induzem nas plantas, que possibilitará criar uma nova fonte de energia limpa, de alta eficiência e totalmente renovável.

No primeiro experimento realizado usando esse processo, os cientistas arrancaram o elétron da camada mais externa de um átomo do gás criptônio. O processo levou 700 attossegundos - o processo mais rápido já induzido opticamente até hoje.

Fonte: Science

As leis da óptica são alteradas

Cientistas desenvolveram um novo método para controlar a luz usando a nanotecnologia. E, devido à descoberta, as leis da óptica foram literalmente mudadas.

© Eliza Grinnell e Nanfang Yu (espelho com nanoantenas)

A técnica poderá ajudar os cientistas a projetar novas lentes planas e polarizadores, como os utilizados em câmeras e telas LCD.

Trata-se de um fenômeno óptico bizarro, que desafiou as leis da reflexão e refração, permitindo controlar a luz para que ela reflita e refrate de uma forma que não ocorre na natureza.

A nova técnica, chamada descontinuidade de fase, levou a uma reformulação das leis matemáticas que predizem o caminho de um raio de luz refletindo de uma superfície ou viajando de um meio para outro; por exemplo, do ar para o vidro.

"Usando superfícies construídas artificialmente, nós criamos os efeitos de uma casa dos espelhos de um parque de diversões em uma superfície plana," diz Federico Capasso, da Universidade de Harvard, coordenador da equipe. "Nossa descoberta leva a óptica a um novo território e abre as portas para desenvolvimentos instigantes na tecnologia fotônica."

 © Nanfang Yu (nanoantenas alterando a direção da luz)

Em seu experimento, o pesquisador Nanfang Yu e seus colegas criaram uma fina película metálica repleta de nanoantenas ópticas, que jogam a luz para frente e para trás sobre a superfície de uma pastilha de silício.

Projetando um feixe de luz sobre essa superfície nanoestruturada, as antenas induzem mudanças abruptas nas ondas de luz, fazendo-as dobrar e refletir na direção "errada", em comparação à reflexão e à refração comuns.

Até hoje, esses efeitos só haviam sido obtidos com metamateriais.

A técnica, baseada na forma como a luz viaja através de diferentes meios, cria uma interface artificial, que "engana" a luz, fazendo-a se comportar de uma forma totalmente não-usual.

As leis da óptica preveem os ângulos de reflexão e refração com base no ângulo de incidência da luz e nas propriedades dos dois meios.

Ao estudar o comportamento da luz nas suas superfícies nanoestruturadas, os pesquisadores perceberam que as equações atuais eram insuficientes para descrever os fenômenos bizarros que eles estavam observando no laboratório.

Para obter novas leis, mais gerais, eles tiveram que considerar que, se a fronteira entre dois meios tiver padronagens especiais, ela na verdade funciona como um terceiro meio de propagação.

Isto significa que, ao contrário de um sistema óptico convencional, a interface artificial entre o ar e o silício induz uma abrupta mudança de fase nas cristas das ondas de luz que a atravessa.

Cada nanoantena funciona como um minúsculo ressonador, que aprisiona a luz, segurando sua energia por um determinado período de tempo e, a seguir, liberando-a.

Um gradiente de diferentes tipos de ressonadores ao longo de toda a superfície de silício pode efetivamente curvar a luz antes mesmo que ela comece a se propagar através do novo meio.

O fenômeno resultante quebra as antigas leis da óptica, criando feixes de luz que refletem e refratam de forma arbitrária, dependendo do padrão da superfície.

A fim de generalizar as leis de reflexão e de refração nos livros-texto, os pesquisadores adicionaram um novo termo para as equações, representando o gradiente de alteração de fase induzida pela interface.

Se não existir tal interface artificial, basta zerar o gradiente que as novas leis produzem os mesmos resultados que suas versões já bem conhecidas.

Fonte: Science

Lente de Luneburg é criada

Físicos do Reino Unido criaram uma lente de Luneburg, uma lente capaz de focalizar a luz em todas as direções, no interior de uma pastilha de silício.

©  Instituto Niels Bohr (ilustração do feixe de elétrons no grafite)

A maioria das lentes tem aberrações, o que significa que sua capacidade de focalizar a luz se deteriora quando a luz incidente está fora do eixo.

Mas na lente de Luneburg, proposta teoricamente há mais de 60 anos, a focalização funciona sempre da mesma forma, com a mesma qualidade, não importando de onde a luz esteja vindo.

O componente deverá ter aplicações em optoeletrônica, na chamada óptica de Fourier, usada pela indústria de telecomunicações para a redução de ruídos nas transmissões e para a compressão de dados.

Mas criar uma lente de Luneburg se mostrou algo complicado. Essas lentes exigem que o índice de refração, a propriedade que determina como a luz é desviada por uma lente, varie ao longo do dispositivo, com um máximo de √2 (aproximadamente 1,4) maior do que o mínimo.

Com tecnologia atual é impossível dopar um material com impurezas para atingir esse nível de contraste do índice de refração.

Outros cientistas tentaram fazer versões aproximadas da lente de Luneburg no passado, mas nunca alcançaram o resultado esperado.

Agora, Ulf Leonhardt e seus colegas da Universidade de St. Andrews criaram uma lente Luneburg para a luz infravermelha usando um guia de ondas de silício.

"Acreditava-se ser impossível construir uma lente de Luneburg no espectro visível ou próximo dele, a um custo razoável", comentou Juan Miñano, da Universidade Politécnica de Madrid, que não estava envolvido com a pesquisa.

O dispositivo criado por Leonhardt e seus colegas é um pedaço de silício microscópico, com a forma de uma lente de contato, servindo de recheio para duas camadas grossas de polímero e sílica, tudo posto sobre um substrato.

Quando os pesquisadores disparam um feixe de luz com um comprimento de onda de 1.575 nanômetros rumo ao dispositivo, a luz cobre a interface entre o polímero e a sílica, até atingir a lente, onde fica fortemente confinada.

Na verdade, a geometria da lente cria um perfil de índice de refração efetivo que varia de 1,4 a 2,8, focando o feixe em um ponto com 3.770 nanômetros de diâmetro.

Para uma lente de Luneburg ideal, este ponto focal deveria ter a metade do comprimento de onda, ou cerca de 800 nanômetros, quase cinco vezes menor do que os cientistas obtiveram.

Leonhardt afirma que a discrepância se deve a limitações da óptica, e que um feixe de luz que abrangesse toda a lente, e não apenas uma parte dela, produziria uma resolução melhor.

Igor Smolyaninov, pesquisador da Universidade de Maryland, nos EUA, que também trabalha com novos tipos de lentes, acha que a lente de Luneburg baseada em um guia de ondas é um resultado importante.

Smolyaninov já aprisionou um arco-íris dentro de uma armadilha de espelhos e ajudou a criar a primeira camuflagem que torna um objeto realmente invisível.

A equipe de Xiang Zhang, da Universidade da Califórnia em Berkeley, apresentou uma lente de Luneburg capaz de focalizar plásmons de superfície, que são ondas de elétrons que surfam na superfície de metais.

Fonte: Nature Nanotechnology

Um novo estado para partículas de luz

Físicos da Universidade de Bonn criaram um novo tipo de fonte de luz, um condensado de Bose-Einstein consistindo de fótons. Até recentemente, acreditava-se que reduzir partículas de luz a esse estado seria impossível. O método poderá ser útil para a criação de fontes de radiação semelhantes aos raios laser, mas na faixa de frequência dos raios X.

© Jan Klaers, Universidade de Bonn (ilustração de um superfóton)

O condensado de Bose-Einstein surge quando um conjunto de partículas é resfriado até o ponto em que todas assumem características idênticas, de forma que o grupo passa a se comportar como uma única "superpartícula".

O processo já havia sido realizado com sucesso em átomos e também era teoricamente possível de se executar com luz, mas as dificuldades técnicas para condensar partículas de luz eram enormes, já que os fótons simplesmente desaparecem quando a temperatura cai demais.

Os pesquisadores alemães usaram dois espelhos, entre os quais um raio de luz era mantido, refletindo-se de um lado para o outro. Entre os espelhos, foram dissolvidos pigmentos que absorviam e liberavam os fótons. A seguir a imagem mostra a distribuição espacial da radiação durante a formação do condensado de Bose-Einstein.

© Nature (distribuição espacial da radiação)

No processo, os fótons assumiram a temperatura do fluido. Eles se resfriaram até a temperatura ambiente, sem se perder no processo.

Os físicos então aumentaram a quantidade de fótons entre os espelhos, excitando os pigmentos com um laser. Isso permitiu que a luz resfriada se concentrasse de forma tão intensa que acabou gerando um "supérfóton".

Tecnologicamente, isso poderá ser útil para criadores de chips de computador, já que um laser com comprimento de onda muito baixo, como o dos raios X, poderia entalhar padrões extremamente detalhados e precisos no silício.

Fonte: Nature

Luz que faz curva em U

Segundo a Teoria da Relatividade, a gravidade de um corpo celeste maciço curva o espaço ao seu redor. Os cientistas estão tentando fazer o mesmo no chamado "espaço óptico", que não é nenhuma localidade em especial, mas tão somente o espaço no qual a luz viaja. Se o espaço óptico se curva, então a luz que viaja por ele faz o mesmo caminho. Sob outro ponto de vista, o que se está tentando fazer é forçar a luz a fazer curvas.

© Zhang Group (guia de onda plamônico)

Já longe da ficção, esses experimentos estão na base de todos os feitos da invisibilidade, que têm-se multiplicado em laboratórios ao redor do mundo. Mas o potencial da chamada óptica transformacional, que estuda o controle das ondas de luz, vai muito além: poderosos microscópios capazes de mostrar moléculas de DNA com luz visível, ou supercomputadores que usam a luz em vez dos sinais eletrônicos para processar a informação são outras possibilidades.

A ferramenta básica para controlar e manipular as ondas de luz são os metamateriais, materiais artificiais, geralmente mesclando metais e isolantes, ou dielétricos, para formar estruturas que interagem com a luz de forma não-natural.

Apesar dos sucessos alcançados no curto tempo de vida desse novo campo da ciência, os pesquisadores vinham encontrando dificuldades em ajustar as propriedades físicas dos metamateriais em nanoescala, sobretudo por causa dos metais, em escalas menores do que o comprimento de onda da luz que se quer manipular.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia, ambos os Estados Unidos, descobriu que esse empecilho pode ser removido com a combinação da óptica transformacional com um outro campo da ciência igualmente novo e promissor, conhecido como plasmônica.

Um plasmon é uma onda eletrônica que viaja pelo mar de elétrons na superfície de um metal. Assim como a energia das ondas de luz é transportada em unidades quantizadas de partículas chamadas fótons, a energia plasmônica é transportada em quase-partículas chamadas plasmons de superfície.

Os plasmons interagem fortemente com os fótons na interface metal/isolante de um metamaterial, formando uma outra quase-partícula, chamada polariton de plasmon de superfície.

A manipulação desses polaritons está no coração das surpreendentes propriedades ópticas dos metamateriais.

© Zhang Group (espalhamneto de polaritons)

O esquema da esquerda mostra o espalhamento dos polaritons de plasmons de superfície sobre uma interface metal-dielétrica com uma única saliência. O esquema da direita mostra como o espalhamento dos polaritons é suprimido quando o espaço óptico ao redor da saliência é modificado.

Liderados pelo Dr. Xiang Zhang, os pesquisadores modelaram uma "óptica transformacional plasmônica", uma forma de manipular o material dielétrico, ou isolante, adjacente a um metal, mas sem alterar o próprio metal.

A técnica permite que os polaritons viajem através de superfícies irregulares e curvas em uma ampla faixa de comprimentos de onda, sem sofrer perdas significativas por espalhamento.

Usando a nova abordagem, Zhang e sua equipe desenvolveram um guia de ondas plasmônico com uma curva de 180 graus que força a luz a fazer um retorno perfeito, sem qualquer alteração nas suas propriedades ou na sua energia.

Eles também projetaram uma versão plasmônica da lente de Luneburg, um tipo de lente esférica capaz de receber e refletir ondas ópticas de múltiplas direções ao mesmo tempo.

"Como as propriedades dos metais nos nossos metamateriais permanecem completamente inalteradas, nossa metodologia de óptica transformacional plasmônica fornece uma maneira prática para guiar a luz em escalas muito pequenas", diz Zhang.

O Dr. Xiang Zhang é um dos pioneiros no campo da manipulação da luz e da invisibilidade, embora ele afirme que os metamateriais trarão benefícios mais práticos do que elusivos mantos da invisibilidade. Seus feitos mais recentes incluem um nanolaser de estado sólido e um novo material para exames de ultrassom.

Fonte: Nano Letters

Cientistas conseguem dar nó em feixe de luz

Uma equipe de físicos britânicos conseguiu dar vários nós em feixes de luz, em uma experiência inédita relatada em artigo na revista científica Nature Physics.

Segundo os especialistas, o feito foi possível graças à chamada "Teoria dos Nós", um ramo da matemática abstrata inspirado nos nós cotidianos, como os de cordas e sapatos.

 

© Nature Physics (vórtices ópticos em hologramas)

"Em um feixe, o fluxo de luz no espaço é semelhante ao das águas de um rio", explicou Mark Dennis, da Universidade de Bristol e principal autor do estudo. "Apesar de correr em uma linha reta, a luz também pode fluir em voltas e redemoinhos, formando linhas no espaço chamadas de vórtices ópticos. Ao longo desses vórtices, a intensidade da luz é zero. Toda a luz à nossa volta é cheia dessas linhas negras, apesar de não podermos vê-las", disse.

Os vórtices ópticos podem ser criados com hologramas que direcionam o fluxo de luz.

Neste estudo, a equipe desenhou hologramas usando a teoria dos nós. E com esses hologramas, conseguiram criar nós em vórtices ópticos.

Para os cientistas, a compreensão de como controlar a luz tem importantes implicações para a tecnologia a laser usada em vários campos, da medicina à indústria.

"O sofisticado desenho de hologramas necessário para a nossa experiência mostra um avançado controle óptico, o que pode sem dúvida vir a ser usado em futuros aparelhos a laser", disse Miles Padgett, da Universidade de Glasgow.

Fonte: BBC Brasil e Nature Physics