Luz faz curvas com material inspirado nas nuvens

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/11/2024

É um novo tipo de guia de ondas de luz que pode ser introduzido em inúmeros tipos de materiais opacos.
[Imagem: University of Glasgow]

Luz que faz curvas

Inspirando-se na maneira como a luz do Sol atravessa as nuvens, físicos descobriram uma maneira totalmente nova de controlar e guiar a luz.

E não é um desvio qualquer no caminho da luz: A nova técnica permite que ondas de luz sejam guiadas por caminhos curvos e "tunelem" através de materiais opacos, que normalmente espalhariam essas ondas em todas as direções.

"Nuvens cúmulos altas geralmente são brancas brilhantes em seu ponto mais alto e cinzas escuro em seu ponto mais baixo porque a luz solar é espalhada pelas inúmeras gotículas de água contidas no interior da nuvem. A luz decai exponencialmente à medida que se espalha pela nuvem, tornando a parte inferior mais escura, e é refletida no topo, o que a torna branca. Começamos a nos perguntar se seria possível aproveitar esse efeito de dispersão de forma controlada e usá-lo para criar um caminho para guiar a luz através de materiais de dispersão," contou o professor Daniele Faccio, da Universidade de Glasgow, na Escócia.

Para imitar o efeito, a equipe desenvolveu uma estrutura na qual a luz é transportada através de um núcleo sólido de material fracamente refletor, que por sua vez é envolto em um material que espalha a luz muito mais fortemente. O contraste entre as propriedades de espalhamento dos materiais confina a luz ao núcleo da estrutura, permitindo que ela seja guiada com uma precisão inesperadamente alta.

As aplicações da nova técnica são inúmeras, da fotônica propriamente dita à criação de novas técnicas de geração de imagens médicas, viabilizando novos exames menos invasivos e sem riscos de radiação.

Mas é mais do que isso porque, devido aos princípios físicos utilizados, a técnica também poderá ser adaptada para guiar o calor em vez da luz, abrindo novas aplicações em gerenciamento térmico para sistemas de computação, ou para confinar partículas como nêutrons em vez de ondas de luz, o que poderia ser usado em tecnologias nucleares.

Protótipos impressos em 3D com os guias de ondas embutidos, virtualmente invisíveis no material original, antes que a luz seja ligada.
[Imagem: University of Glasgow]

Guia de ondas de luz

A equipe usou uma impressora 3D para criar estruturas de resina branca opaca de alta dispersão com um núcleo de baixa dispersão e começou a fazer experimentos para ver o quanto isso lhes permitiria guiar a luz.

Eles descobriram que é possível transmitir mais de 100 vezes mais luz através do núcleo de baixa dispersão do que em estruturas sem ele. Eles demonstraram o fenômeno com estruturas retas e curvas, obtendo o mesmo efeito.

A equipe também desenvolveu um modelo matemático abrangente para explicar os processos físicos de difusão que sustentam seus resultados, mostrando que é um princípio diferente do que acontece no interior de uma fibra óptica, por exemplo.

Curiosamente, o modelo é muito semelhante às equações que explicam o transporte de calor através de materiais sólidos. Por causa desse cruzamento, os pesquisadores esperam que sua nova técnica possa ter uso mais amplo além da luz.

O modelo matemático da equipe mostra que o princípio também poderá ser aplicado ao calor.
[Imagem: Kevin J. Mitchell et al. - 10.1038/s41567-024-02665-z]

Aplicações

"É notável que, mesmo em campos bem estabelecidos como a óptica, sempre há espaço para novas descobertas fundamentais. Quando começamos a pensar sobre nuvens, não esperávamos necessariamente descobrir um método inteiramente novo de guia de ondas, mas é para onde nossos experimentos nos levaram. Ainda estamos aprendendo novos truques sobre a luz, neste caso por um processo que ficamos surpresos em descobrir que tem mais em comum com nossa compreensão da maneira como o calor viaja do que a luz.

"Isso significa que podemos esperar usar essa técnica para encontrar novas maneiras de ver dentro do tecido biológico opaco usando luz, mas também que podemos aplicá-la para guiar mais do que apenas fótons. Poderíamos criar novas maneiras de transportar calor por sistemas que precisam ser resfriados, como computadores das centrais de dados, ou transportar partículas como nêutrons, o que poderia abrir novas aplicações para usinas nucleares, por exemplo," concluiu o professor Faccio.

Mais tópicos