Metassuperfície cria canais de comunicação de luz no espaço e no tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/08/2024

A metassuperfície espaço-temporal reflete um feixe de luz para criar muitos canais laterais, de diferentes frequências ópticas.
[Imagem: Jared Sisler et al. - 10.1038/s41565-024-01728-9]

Canais de luz para comunicações

Assim como acontece com o poder de processamento, parece não haver limites para nossa demanda por largura de banda: Sempre queremos computadores e conexões mais rápidas.

Agora imagine chegar ao escritório ou a um café, onde muitas pessoas penduram-se no mesmo canal de internet, mas cada um dispor de um canal sem fio dedicado centenas de vezes mais rápido do que o Wi-Fi que usamos hoje, com uma largura de banda centenas de vezes maior.

Esse sonho pode não estar muito distante graças ao desenvolvimento dos metamateriais e das metassuperfícies, que são pequenas folhas planas projetadas para refletir e direcionar a luz de maneira muito precisa.

Engenheiros acabam de criar uma metassuperfície formada por minúsculas antenas sintonizáveis, capazes de refletir um feixe de luz para criar múltiplos canais, de diferentes frequências ópticas.

"Com essas metassuperfícies, conseguimos mostrar que um feixe de luz entra e vários feixes de luz saem, cada um com frequências ópticas diferentes e indo em direções diferentes," explicou Harry Atwater, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. "Elas funcionam como uma série inteira de canais de comunicação. E nós encontramos uma maneira de fazer isso para sinais de espaço livre, em vez de sinais transportados por uma fibra óptica."

Este novo hardware representa uma rota promissora para o desenvolvimento não apenas de novos tipos de canais de comunicação sem fios, mas também de novas tecnologias de medição e até mesmo uma nova maneira de retransmitir grandes quantidades de dados de e para o espaço.

Ampliações da metassuperfície, revelando os "átomos artificiais" que a compõem.
[Imagem: Jared Sisler et al. - 10.1038/s41565-024-01728-9]

Metassuperfície espaço-temporal

As metassuperfícies são projetadas para irem além do que podemos fazer com elementos ópticos volumosos convencionais, como as lentes de câmeras, microscópios ou telescópios. Elas são compostas por um padrão cuidadosamente projetado de antenas em nanoescala, criadas para refletir, dispersar ou controlar a luz - como são essas nanoantenas que determinam as propriedades da metassuperfície, elas são comumente conhecidas como meta-átomos.

Como é tudo minúsculo, o material artificial fica plano e leve, mas com capacidade para focar a luz como uma lente comum, que é muito mais grossa, ou refletir a luz, como um espelho, que é muito maior.

A grande diferença da inovação apresentada agora é que a metassuperfície criada pela equipe é ativa, controlada eletricamente, podendo ser reconfigurada e ajustada durante o funcionamento, o que é essencial para sua utilização nas condições dinâmicas das aplicações práticas. "Agora podemos aplicar um estímulo externo a esses dispositivos, como uma série de voltagens diferentes, e sintonizar entre diferentes funcionalidades passivas," explicou o pesquisador Jared Sisler.

A equipe chama seu dispositivo de "metassuperfície espaço-temporal" porque ela consegue refletir a luz em direções específicas (variações no espaço) e também em frequências precisas (uma função do tempo, já que a frequência é definida como o número de ondas que passam por um ponto por segundo).

Os canais paralelos são criados no espaço e no tempo.
[Imagem: Jared Sisler et al. - 10.1038/s41565-024-01728-9]

Wi-Fi, LIDAR e muito mais

O protótipo, cujo núcleo tem apenas 120 micrômetros de largura por 120 micrômetros de comprimento, opera em modo de reflexão em frequências ópticas tipicamente usadas para telecomunicações, especificamente em 1.530 nanômetros. Isso é milhares de vezes mais do que as frequências de rádio, o que significa que há muito mais largura de banda disponível.

Além de demonstrar que a metassuperfície espaço-temporal é capaz de dividir e redirecionar luz em frequências ópticas no espaço livre (em vez de em fibras ópticas), a equipe afirma que ela aponta para diversas aplicações possíveis.

Essas metassuperfícies poderão ser úteis, por exemplo, em aplicações LiDAR, o equivalente de luz do radar, onde a luz é usada para capturar informações de profundidade de uma cena tridimensional. O sonho final é desenvolver uma "metassuperfície universal", que crie múltiplos canais ópticos, cada um carregando informações em diferentes direções no espaço livre.

"Se as metassuperfícies ópticas se tornarem uma tecnologia realizável que se prolifere, daqui a uma década você poderá se sentar em um café com um monte de outras pessoas em seus laptops e, em vez de cada pessoa receber um sinal de Wi-Fi de radiofrequência, elas receberão seu próprio sinal de feixe de luz de alta-fidelidade,", disse o professor Harry Atwater. "Uma metassuperfície será capaz de emitir uma frequência diferente para cada pessoa."

Mais tópicos