Som retarda, acelera e bloqueia a luz

Com informações da Universidade de Illinois - 10/02/2015

Ilustração artística da manipulação da luz usando microesferas de sílica - o vermelho ilustra a luz lenta, o azul ilustra a luz rápida e o amarelo ilustra o efeito de bloqueio da luz.
[Imagem: Gaurav Bahl/Universidade de Illinois]

Transparência Induzida pelo Espalhamento de Brillouin

Pesquisadores da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, demonstraram experimentalmente pela primeira vez um fenômeno que pode ser usado para retardar, acelerar e bloquear a luz.

A demonstração tem enorme importância para o campo da óptica, com um impacto direto nos desenvolvimentos no campo da optoeletrônica e da computação quântica.

O fenômeno é chamado de Transparência Induzida pelo Espalhamento de Brillouin (TIEB). O Espalhamento de Brillouin ocorre quando o fóton interage com as moléculas do meio onde a luz se propaga, gerando vibrações mecânicas, essencialmente ondas acústicas quase uniformes. Essas ondas sonoras podem então ser utilizadas para manipular a luz.

Vários fenômenos associados já haviam sido demonstrados na prática - como amplificação de Brillouin e espalhamento de Brillouin estimulado - e estão sendo explorados nas transmissões de dados por fibras ópticas e em dispositivos mais avançados no campo da optoeletrônica, que está tentando colocar a luz dentro dos chips.

Já o novo fenômeno de transparência induzida permite que a luz viaje num sentido e seja fortemente absorvida no sentido oposto - isto é diferente da quebra da simetria da luz feita por outro grupo recentemente. Este comportamento não-recíproco é essencial para a construção de isoladores e circuladores, componentes fundamentais na óptica e em todos os campos derivados dela.

Interação da luz com som

JunHwan Kim e seus colegas demonstraram o fenômeno TIEB (transparência induzida pelo espalhamento Brilloiun) usando nada além de uma fibra óptica muito fina e uma microesfera de vidro posta junto à fibra - um ressonador de microesfera.

"O efeito ocorre devido à interação da luz com as ondas sonoras presentes no material, e é um novo processo físico que nunca fora visto antes. O aspecto mais significativo da nossa descoberta é a observação de que o TIEB é um fenômeno não-recíproco - a transparência só é gerada em um sentido. No outro sentido, o sistema continua absorvendo a luz," disse o professor Gaurav Bahl, coordenador da equipe.

A simetria de reversão temporal - a reciprocidade - é um princípio fundamental bem compreendido na maioria dos contextos acústicos, eletromagnéticos e termodinâmicos. Os engenheiros frequentemente são forçados a usar truques para quebrar essa simetria de reversão do tempo para aplicações de dispositivos específicos.

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Esquema dos sinais ópticos e acústicos ao redor da microesfera.
[Imagem: JunHwan Kim - 10.1038/nphys3236]

Quebrando a simetria de reversão temporal

Os atuais componentes ópticos não-recíprocos - por exemplo, isoladores e circuladores - são construídos exclusivamente usando o efeito magneto-óptico de Faraday. Este método usa campos magnéticos para quebrar a simetria de reversão temporal com determinados cristais de granada e ferrita.

Contudo, estes materiais são difíceis de serem cultivados na escala dos chips e os campos magnéticos são fontes de interferência danosos para muitas aplicações, o que tem inviabilizado a criação de isoladores de efeito Faraday para sistemas ópticos miniaturizados e integrados em chips.

"Nós demonstramos um método de obtenção de não-reciprocidade óptica linear que não usa ímãs, pode ser implementado em qualquer material óptico comum sem precisar de ferritas e pode ser implementado em qualquer fábrica comercial," acrescentou Bahl.

Via estreita

O novo fenômeno também permite a aceleração e a desaceleração da velocidade de grupo de luz - os físicos chamam isto de "luz rápida" e "luz lenta". As técnicas de "luz lenta" são extremamente úteis para o armazenamento de informações quânticas em cristais e aplicações de armazenamento óptico em geral.

"Embora já se soubesse que a luz lenta e a luz rápida podem ser obtidas usando o espalhamento de Brillouin, nosso dispositivo é muito menor e usa muito menos energia do que qualquer outra demonstração anterior, por várias ordens de magnitude. No entanto, devemos sacrificar a largura de banda para obter tal desempenho," ressalva Kim.

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