Eletrônica

Peneiras de fótons exploram os limites da física para focar a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/01/2024

Peneiras de fótons são cortadas de uma única pastilha de silício ou nióbio para focar a luz ultravioleta extrema - um comprimento de onda difícil de capturar.
[Imagem: NASA/Christopher Gunn]

Peneiras de fótons

A NASA pretende colocar um par de pequenos observatórios em órbita para tentar capturar as primeiras imagens de estruturas de pequena escala perto da superfície do Sol, que os cientistas acreditam serem as forças motrizes que impulsionam o aquecimento e a aceleração do vento solar.

A tecnologia que deverá permitir isto chama-se peneira de fótons, uma estrutura fabricada com as técnicas da indústria microeletrônica para focar luz ultravioleta extrema a um ponto que permitirá visualizar detalhes entre 10 e 50 vezes menores do que os que os melhores observatórios de hoje são capazes.

As peneiras de fótons são cortadas de uma única pastilha de silício ou nióbio para focar especificamente essa luz (UV extrema), um comprimento de onda difícil de capturar. Para serem mais eficazes, entretanto, elas devem ser largas, superfinas e terem orifícios precisos para refratar a luz.

Uma equipe do Centro de Voos Espaciais Goddard, da NASA, desenvolveu novas maneiras de criar membranas mais largas e mais finas a partir de pastilhas semelhantes às usadas na indústria eletrônica. Cada avanço, contudo, exigiu etapas adicionais para proteger as peneiras, como deixar um favo de mel de material mais espesso para servir de suporte para a membrana e evitar que ela se rasgue.

"É um grande desafio físico construir peneiras com tanta precisão," disse o heliofísico Doug Rabin. "Seus menores detalhes têm 2 micrômetros de diâmetro e um intervalo de 2 micrômetros entre as perfurações, que é aproximadamente o tamanho da maioria das bactérias."

As novas peneiras de fótons consistem em uma estrutura em favo de mel que suporta uma membrana superfina cortada para focar a luz UV extrema. As maiores lacunas e buracos podem ser vistas no hexágono central, mas o resto rapidamente se torna pequeno demais para ser detectado pelo olho humano.
[Imagem: NASA/Christopher Gunn]

Lentes de Fresnel

Fabricadas a partir do centro com anéis de orifícios cada vez menores, as peneiras de fótons são construídas para refratar a luz de modo semelhante às lentes de Fresnel usadas em faróis.

Enquanto as lentes convencionais usam o fenômeno da refração - o modo como a luz muda de direção ao passar por diferentes substâncias, como o vidro - para concentrar a luz em um único ponto, as lentes de Fresnel manipulam a luz usando o fenômeno da difração, o modo como a luz muda de direção conforme passa pela borda de uma barreira ou por um orifício.

A luz ultravioleta extrema que passa por esta peneira é gradualmente curvada para dentro, em direção a uma câmera - nesse caso, a câmera precisa ficar muito distante da lente, muito mais do que em um conjunto de lente convencional e câmera.

Membranas finas são importantes para a ciência solar porque essas peneiras transmitem mais luz do que materiais mais espessos. A equipe já fabricou peneiras de silício de 8 cm de diâmetro, com apenas 100 nanômetros de espessura. Agora eles estão experimentando membranas de nióbio, que podem melhorar ainda mais a eficiência de captação de luz porque transmitem até sete vezes mais luz do que o silício. Eles já chegaram a uma peneira de nióbio de 13 cm de diâmetro e apenas 200 nanômetros de espessura.

Testes no espaço

Os primeiros protótipos das peneiras de fótons deverão ir ao espaço para testes já em 2024, a bordo do nanossatélite Visors (Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm). A missão inclui um satélite compacto, do tamanho de uma maleta, equipada com as peneiras para refratar a luz em um receptor em um segundo satélite, que ficará em órbita a 40 metros de distância.

O esperado sucesso do Visors poderá abrir caminho para uma missão futura maior, com a separação das naves espaciais medida em quilômetros, empregando a maior resolução das peneiras mais finas quando estiverem prontas para o ambiente espacial.

Outra peneira de fótons maior será usada para calibrar o espectrômetro Muse (Multi-slit Solar Explorer), com lançamento previsto para 2027.