Fenômeno bizarro altera as leis da óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/09/2011

Um espelho com nanoantenas, mesmo perfeitamente plano, pode gerar imagens parecidas com a Casa dos Espelhos de um parque de diversões.
[Imagem: Eliza Grinnell and Nanfang Yu.]

Cientistas desenvolveram um novo método para controlar a luz usando a nanotecnologia.

E, graças à sua descoberta, eles tiveram que literalmente mudar as leis da óptica.

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

Descontinuidade de fase

Trata-se de um fenômeno óptico bizarro, que desafiou - e venceu - 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."

As nanoantenas jogam a luz para frente e para trás sobre a superfície, mudando completamente seu comportamento.
[Imagem: Nanfang Yu]

Nanoantenas ópticas

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.

Terceiro meio de propagação

As leis da óptica, ensinadas nas aulas de física no mundo todo, 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 - daí o nome "descontinuidade de fase" - nas cristas das ondas de luz que a atravessa.

Alterando a disposição das nanoantenas, os cientistas criaram estranhos efeitos ópticos.
[Imagem: Nanfang Yu]

Mudando as leis da óptica

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 - essencialmente a chamada Lei de Snell - 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.

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