Luz é esculpida em 3D para carregar mais informações

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/02/2023

A ressonância de supermodo é criada refletindo a luz de volta em um modo diferente a cada reflexão.
[Imagem: Vincent Ginis et al. - 10.1038/s41467-023-35956-9]

Ressonador óptico

Talvez você nunca tenha ouvido falar dos ressonadores, mas esses componentes estão para as tecnologias envolvendo a luz quase como os transistores estão para a eletrônica.

"Os ressonadores são componentes centrais na maioria das aplicações de óptica, lasers, microscopia, detecção - eles aparecem em todas essas tecnologias como blocos de construção essenciais," explica o professor Vincent Ginis, da Universidade Livre de Bruxelas, na Bélgica. "Eles consistem em dois refletores que refletem a luz para frente e para trás, concentrando a luz nos lasers, por exemplo, ou filtrando frequências de luz, como nas fibras óptica e nas telecomunicações."

E Ginis e seus colegas acabam de inventar um novo tipo de ressonador que é capaz de manipular a luz de formas nunca vistas. Além de abrir um infinidade de novos usos, o novo dispositivo mostra que talvez não vínhamos entendendo direito como os ressonadores funcionam.

Alterando os modos da luz

Em sua aplicação mais conhecida, os ressonadores são essenciais para as transmissões de telecomunicações, codificando imagens e áudio por meio de frequências de luz que fluem pelas fibras ópticas.

"Cada mensagem, para se manter separada das outras, é codificada em sua própria frequência específica," detalha Ginis. "Os ressonadores nos permitem 'isolar' frequências exatas e únicas para permitir que muitas mensagens diferentes sejam transmitidas simultaneamente."

Hoje, os ressonadores e os dois espelhos reflexivos dentro deles controlam a intensidade e a frequência da luz, mas não o modo da luz, que determina a forma e a maneira como os fótons fluem no espaço e no tempo. O mais comum é pensarmos na luz como se movendo em um feixe em uma linha reta, mas feixes de luz também são capazes de viajar em outros modos, como as espirais da luz torcida, os nós ou os anéis de luz - esses modos especiais são conhecidos como luz estruturada.

O novo ressonador óptico ganhou exatamente essa capacidade, dando controle preciso sobre o modo da luz e, ainda mais importante, permitindo que a luz estruturada multimodo exista dentro do próprio ressonador, o que permite que ela seja modulada para guardar informações nos graus de liberdade adicionais dos diferentes modos.

A equipe conseguiu isso esculpindo um novo tipo de padrão na superfície dos refletores, que ficam em cada extremidade do ressonador. Essas ranhuras, medindo de 300 a 600 nanômetros de largura, permitem controlar a forma dos feixes de luz dentro do ressonador. E, usando refletores com padrões diferentes em cada extremidade do ressonador, torna-se possível mudar a forma da luz à medida que ela se move dentro do dispositivo.

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Micrografia do ressonador em modo de cascateamento, capaz de operar em "supermodo".
[Imagem: Vincent Ginis et al. - 10.1038/s41467-023-35956-9]

Múltiplos modos, múltiplos usos

É uma capacidade sem precedentes, abrindo possibilidades que a própria equipe não consegue ainda dimensionar.

"Quando vimos isso, percebemos que estávamos em 'terra incógnita' aqui," disse Ginis, "Podemos fazer esses modos de luz brincarem uns com os outros, transformando um modo em outro e depois voltando ao primeiro modo, criando loops de diferentes modos de luz movendo-se pelo mesmo espaço."

A combinação de mais de um modo de luz cria o que os pesquisadores chamam de "supermodo", que essencialmente permite quebrar a simetria da luz, que pode circular em um modo "quando vem" e noutro "quando vai".

"Ter controle multimodo da luz terá um enorme impacto na largura de banda da informação que pode ser transmitida usando a luz. Isso abre muitos canais de transmissão que não conseguimos acessar simultaneamente até agora," explicou o pesquisador.

Mas a luz serve para muitos outras coisas além de transmitir informações. "Ao colocar um objeto dentro de um ressonador, você pode manipular materiais minúsculos, como átomos, moléculas e filamentos de DNA," exemplifica Ginis.

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