Matéria digital: recriando a natureza usando bits em vez de átomos

Com informações da Universidade da Pensilvânia - 09/12/2014

A "matéria digital" lida com as ondas eletromagnéticas de uma forma que nenhum material natural faz.
[Imagem: Giovampaola/Engheta - 10.1038/nmat4082]

Bits de matéria

Os materiais artificiais projetados e construídos para terem propriedades não encontradas nos materiais naturais - os chamados metamateriais - são usados para fazer mantos de invisibilidade, lentes planas e outros dispositivos outrora considerados impossíveis.

O problema é que não é fácil fabricar os meta-átomos artificiais necessários para criar essa metamatéria.

Agora, em um trabalho que mereceu a capa da revista Nature Materials, pesquisadores demonstraram que é possível fabricar um metamaterial juntando "bits de matéria".

Cristian Giovampaola e Nader Engheta, da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, lançaram o conceito de "metamaterial digital" e construíram os primeiros protótipos, demonstrando a possibilidade de fabricar materiais com uma determinada permissividade juntando quaisquer dois materiais, sendo necessário apenas que a permissividade de um dos materiais seja positiva e a do outro negativa.

Permissividade é a propriedade de um material que descreve sua reação a um campo eletromagnético dentro dele. Assim, é uma qualidade fundamental a ser considerada no projeto de dispositivos ópticos, como lentes, guias de onda, processadores fotônicos e, claro, mantos de invisibilidade dos mais diversos tipos.

Metamaterial digital

Tomando emprestado termos da computação binária, esses metamateriais "digitais" são compostos de "bits", que são então combinados em "bytes". Esses bytes podem assumir diferentes formatos, como cilindros em nanoescala construídos com um bit de um dos metamateriais embrulhado em outro.

"A inspiração veio da eletrônica digital," disse o professor Engheta, que vem trabalhando com o que ele chama de metatrônica, criando uma computação com luz no interior de processadores fotônicos.

"Com os sistemas binários, podemos pegar um sinal analógico - uma onda - decompor uma amostra em pontos discretos e, finalmente, expressá-los como uma sequência de 0s e 1s. Nós queríamos ver se conseguíamos quebrar as propriedades eletromagnéticas de um material da mesma forma.

A inspiração para a criação dos bits e bytes de matéria veio da eletrônica digital.
[Imagem: Giovampaola/Engheta - 10.1038/nmat4082]

"Quando você digitaliza um sinal, você olha para a sua magnitude em cada ponto no tempo e lhe dá um valor. Estamos aplicando o mesmo processo aos materiais, olhando para a permissividade que eles precisam ter em cada ponto do espaço a fim de que executem a função que queremos," explicou o pesquisador.

No caso dos nanocilindros, alterando os raios dos núcleos e dos revestimentos, bem como qual dos dois bits fica de dentro ou de fora, a dupla demonstrou matematicamente a possibilidade de fabricar metamateriais sólidos de praticamente qualquer permissividade.

Além disso, eles demonstraram que, arranjando cuidadosamente esses bytes em padrões mais complicados, é possível fabricar lentes planas, hiperlentes e guias de onda.

Matéria digital na prática

Para simplificar o trabalho, Cristian e Enghetta simularam bytes de metamateriais feitos de prata e vidro, mas ressaltam que qualquer par de materiais que siga a regra permissividade negativa/positiva vai funcionar.

A geometria núcleo-revestimento do byte foi escolhida porque é uma estrutura que os cientistas dos materiais já são craques em construir. Mas é possível construir também bytes com geometrias alternativas, como materiais com camadas sobrepostas e alternadas.

Uma vez que os bytes são construídos, a necessidade de cada aplicação óptica que se tem em mente é atendida alterando a maneira como esses bytes são organizados uns ao lado dos outros.

Os pesquisadores demonstraram a viabilidade de criação de hiperlentes feitas com o metamaterial digital, lentes especiais que podem produzir imagens de objetos menores do que o comprimento de onda da luz, bem como guias de onda que canalizam a luz em torno de curvas e cantos.

Dispondo cuidadosamente os bytes de matéria artificial, de tal modo que eles canalizem de forma bem definida, é possível guiar a luz de forma precisa no interior de processadores que usam luz em vez de eletricidade. Ou criar a ilusão de que a luz passa direto através de um objeto, efetivamente tornando-o invisível.

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