Vidro unidirecional verdadeiro é criado com metamaterial óptico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/02/2024

As propriedades magnéticas do material permitem controlar o modo como ele interage com a luz, criando um vidro unidirecional.
[Imagem: Ihar Faniayeu/Aalto University]

Efeito magnetoelétrico

Um vidro que seja transparente de um lado, mas não do outro, pode ter inúmeras aplicações, de tecnologias ópticas avançadas até janelas que mantenham a privacidade, não permitindo que as pessoas de fora vejam o que há dentro.

Mas o material desenvolvido por Shadi Jazi e colegas da Universidade de Aalto, na Finlândia, vai bem além do que estava ao alcance das tecnologias atuais.

A inovação pertence à classe dos metamateriais, ou materiais artificiais. Ao contrário dos materiais naturais, os metamateriais e as metassuperfícies podem ser adaptados para terem propriedades eletromagnéticas específicas, sob medida, o que significa que eles permitem criar objetos com características adequadas para a aplicação que se tiver em mente.

O novo metamaterial tira proveito do efeito magnetoelétrico não recíproco (EMN), que implica em uma ligação entre propriedades específicas do material (sua magnetização e polarização) e os diferentes componentes do campo de luz ou outras ondas eletromagnéticas que incidem sobre ele.

O efeito magnetoelétrico permite que o magnetismo de um material seja ligado ou desligado eletricamente, enquanto o termo não recíproco, neste caso, refere-se à inexistência de uma simetria entre os dois sentidos do material (o que vale num sentido não vale no outro). A junção das duas condições também é conhecida como efeito Tellegen [Bernard Tellegen (1900-1990)].

O efeito Tellegen é insignificante nos materiais naturais conhecidos, mas, devido ao seu enorme potencial tecnológico, os cientistas têm tentado reforçá-lo usando metamateriais e metassuperfícies. "Até agora, o efeito EMN não levou a aplicações industriais realistas. A maioria das abordagens propostas só funcionariam para microondas, e não para luz visível, e também não poderiam ser fabricadas com a tecnologia disponível," disse Jazi.

Os meta-átomos uniaxiais são feitos de cobalto e silício.
[Imagem: Shadi Safaei Jazi et al. - 10.1038/s41467-024-45225-y]

Magnetização espontânea

Para romper essas limitações, Jazi começou trabalhando apenas com tecnologias existentes, usando materiais convencionais e técnicas de nanofabricação.

O resultado é um metamaterial tellegen óptico - que opera na faixa da luz visível - com magnetização espontânea. Ele é formado por nanocilindros compostos por dois materiais, de características diferentes, orientados aleatoriamente em um substrato. Cada nanocilindro consiste em um ferromagneto, em um estado magnético de domínio único, e um dielétrico de alta permissividade, operando próximo à ressonância magnética do tipo Mie.

O metamaterial não requer polarização magnética externa, funcionando com base na magnetização espontânea dos nanocilindros. Para comparação, a geração desse efeito até agora exigiria um forte campo magnético externo para funcionar, o que não seria prático para qualquer aplicação.

Vidro unidirecional

Com isto, torna-se possível criar vidros verdadeiramente unidirecionais. O vidro atualmente vendido como "unidirecional" é apenas semitransparente, deixando a luz passar em ambas as direções. Quando o brilho é diferente entre os dois lados (por exemplo, dentro e fora de uma janela), ele funciona como um vidro unidirecional. Mas um vidro unidirecional baseado em EMN não precisará de diferença de brilho porque a luz só poderá passar por ele em uma direção.

"Apenas imagine ter uma janela com aquele vidro em sua casa, escritório ou carro. Independentemente da luminosidade exterior, as pessoas não conseguiriam ver nada no interior, enquanto você desfrutaria de uma vista perfeita da sua janela", ilustrou Jazi.

Se a tecnologia chegar ao mercado, este vidro unidirecional também poderá tornar as células solares mais eficientes, bloqueando as emissões térmicas que as células atuais irradiam de volta, o que reduz a quantidade de energia que captam e, por decorrência, a quantidade de eletricidade que geram.

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