Luz ilumina dualidade espaço-tempo criando imagem de si mesma

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/03/2025

É um fenômeno natural bonito e muito útil.
[Imagem: Jianqi Hu et al. - 10.1038/s41566-025-01622-3]

Efeito Talbot

Uma equipe da Finlândia e da França demonstrou como a "autoimagem da luz", um fenômeno conhecido há quase dois séculos, pode ser aplicada a sistemas cilíndricos, permitindo um controle sem precedentes dos feixes de luz em estruturas como as fibras ópticas.

E, além de aplicações imediatas em sistemas mais avançados de comunicação óptica, o fenômeno expôs um novo tipo de dualidade espaço-tempo que poderá ser usada para unificar diferentes campos da óptica, fazendo as ferramentas de um funcionarem no outro.

Em 1836, o pioneiro da fotografia Henry Talbot observou padrões de luz que reapareciam naturalmente após alguma propagação, sem o uso de lentes ou qualquer outra óptica de imagem. Este é o fenômeno da autoimagem da luz, também conhecido como efeito Talbot, que está sendo usado na computação quântica e nos relógios atômicos.

O Efeito Talbot ocorre quando a onda plana de uma fonte de luz coerente incide sobre uma estrutura periódica conhecida como grade de difração: Imagens dessa grade surgem a distâncias também periódicas, chamadas de distâncias de Talbot. As imagens repetidas são chamadas autoimagens ou imagens Talbot.

Jianqi Hu e seus colegas estavam interessados na chamada "escultura da luz", técnicas e procedimentos que tentam formatar o campo de luz para aplicações que vão das comunicações em fibras ópticas às pinças de luz. E, dada a importância das fibras ópticas no campo da fotônica, a equipe decidiu estudar as autoimagens em sistemas cilíndricos, e não em sistemas planos, como Talbot havia feito.

A equipe conseguiu unificar ambas as propriedades, posição angular e momento angular orbital.
[Imagem: Jianqi Hu et al. - 10.1038/s41566-025-01622-3]

Posição angular e momento angular orbital

A luz que viaja em uma fibra de um tipo especial, chamada fibra com núcleo em anel, passa por um processo de autoimagem, embora em uma posição angular.

"À medida que a luz entra na fibra em uma posição angular específica do núcleo da fibra em forma de anel, ela primeiro se espalha por todo o núcleo cilíndrico, e então se recombina perfeitamente para formar o campo original por meio do processo de autoimagem," explicou o pesquisador Matias Eriksson.

Mas essa autoimagem em posições angulares é apenas metade do efeito Talbot em geometrias cilíndricas: Um efeito de interferência semelhante também aparece em uma propriedade intimamente relacionada da luz, conhecida como momento angular orbital, que permite que a luz gire ao redor do eixo óptico, ou seja, faça as partículas orbitarem em um caminho semelhante a um anel - esse fenômeno é mais conhecido como "luz torcida", e já é usado até para girar partículas.

Fundamentalmente, ambas as propriedades, posição angular e momento angular orbital, são consideradas variáveis complementares, o que significa que a definição precisa de uma leva à imprecisão da outra propriedade.

A equipe agora conseguiu combinar, pela primeira vez em um único experimento, a autoimagem em ângulo com a autoimagem do momento angular orbital. E isso traz um controle sem precedentes da estrutura espacial da luz.

"O efeito generalizado de autoimagem pode ser habilmente ajustado para codificar, converter e decodificar informações nos valores de momento angular orbital da luz, de modo que eles possam atuar como canais de comunicação independentes," detalhou Eriksson.

Com isto, o experimento torna realidade a promessa teórica de se fazer uma comunicação com uma taxa de dados muito mais alta em uma operação sem perdas e sem diafonia, o que pode ter um impacto profundo no futuro das comunicações ópticas.

Detalhes das fileiras de pulsos de luz (em torno dos anéis) que permitem explorar a dualidade espaço-tempo.
[Imagem: Jianqi Hu et al. - 10.1038/s41566-025-01622-3]

Dualidade espaço-tempo

Mas o experimento não parou por aí, permitindo também explorar a intrigante conexão com o domínio do tempo, o que cria possibilidades intrigantes de aplicação além das comunicações.

Um princípio fundamental em óptica é conhecido como dualidade espaço-tempo, que sugere que muitos efeitos que são observados espacialmente também podem ser vistos na estrutura temporal da luz. Com base nesse princípio, a autoimagem generalizada no tempo ocorre para uma fileira periódica de pulsos ópticos e seu pente de frequência correspondente, ou seja, luz contendo apenas frequências bem definidas e igualmente espaçadas.

O experimento revelou uma nova forma de dualidade espaço-tempo ao mostrar a forte ligação entre ângulo/momento angular e tempo/frequência.

"Isso significa que os fenômenos físicos observados nesses dois campos estão amplamente conectados, e as técnicas de processamento de um podem ser usadas para o outro," explicou Jianqi Hu.

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