Anti-laser: Armadilha perfeita aprisiona a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/08/2022

A armadilha de luz é composta por um espelho parcialmente transparente, o fino material absorvedor, duas lentes convergentes e um espelho totalmente refletor.
[Imagem: TU Wien]

Anti-laser

Se você pretende usar a luz de forma eficiente, seja em uma célula solar, na fotossíntese artificial ou em um sensor para ver estrelas muito distantes, é preciso dar um jeito de absorver a luz o mais completamente possível.

Isso é difícil nos materiais optoeletrônicos mais avançados, em escala bidimensional, já que a absorção se dá em uma camada de material tão fina que normalmente a maior parte da luz passa direto.

Agora, Yevgeny Slobodkin e colegas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, descobriram um truque surpreendente que permite que um feixe de luz seja completamente absorvido mesmo nas camadas mais finas.

A equipe construiu uma "armadilha de luz" ao redor da fina camada de material optoeletrônico, de modo que o feixe de luz é direcionado em círculo por lentes e espelhos e depois sobreposto a si mesmo - com uma precisão que garante que o feixe de luz bloqueie a si mesmo e não possa mais sair do sistema.

Assim, a luz não tem escolha a não ser ser absorvida pela fina camada optoeletrônica - não há outra saída.

Mais do que isso, o sistema funciona como um método de amplificação da luz, funcionando exatamente de modo inverso a um laser: É um antilaser - um antilaser tem aplicações que vão dos chips fotônicos até sistemas de imageamento médico.

Esta é a primeira versão do aparato experimental, que agora precisará ser integrado em um sistema mais compacto.
[Imagem: Omri Haim]

Absorvedor perfeito de luz

Em um laser, a luz ficando saltando entre dois espelhos até ser amplificada o suficiente para sair na forma de um feixe concentrado.

Para isso, um dos espelhos não pode se perfeito, ele deve ser parcialmente transparente, caso contrário a luz não consegue entrar na área entre os dois. E isso também significa que, sempre que a luz atinge esse espelho parcialmente transparente, parte dela será perdida.

Para evitar essa perda, a equipe usou uma técnica conhecida como interferência de ondas. Tudo começa com um sistema semelhante ao laser, em que um espelho parcialmente transparente permite que a luz entre - a própria luz de entrada é um feixe de laser. Na verdade, o espelho foi projetado de tal forma que o feixe de luz incidente é dividido em duas partes: A maior parte é refletida de forma dirigida, enquanto o restante consegue atravessar o espelho.

Essa parte do feixe de luz que penetra no espelho é enviada através da camada de material absorvente e depois retorna ao espelho parcialmente transparente por meio de lentes e outro espelho. "O crucial é que o comprimento desse caminho e a posição dos elementos ópticos sejam ajustados de tal forma que o feixe de luz de retorno (e suas múltiplas reflexões entre os espelhos) cancelem exatamente o feixe de luz refletido diretamente no primeiro espelho," explicou Slobodkin.

Os dois feixes parciais se sobrepõem de tal modo que a luz se bloqueia, por assim dizer: Embora o espelho parcialmente transparente por si só reflita uma grande parte da luz, essa reflexão é impossibilitada pela outra parte do feixe, que atravessa o sistema antes de retornar ao espelho parcialmente transparente.

Assim, o espelho, que antes era parcialmente transparente, agora se torna totalmente transparente para o raio laser incidente. Isso cria uma via de mão única para a luz: O feixe de luz consegue entrar no sistema, mas não pode mais escapar devido à superposição da porção refletida e da porção guiada pelo sistema em um círculo. Portanto, a luz não tem escolha a não ser ser absorvida - todo o feixe de laser é engolido por uma fina camada de material que, de outra forma, permitiria que a maior parte do feixe passasse.

Aplicações em astronomia

"O sistema deve ser ajustado exatamente para o comprimento de onda que você deseja absorver," disse o professor Stefan Rotter, cuja equipe já havia conseguido fazer um laser "apagar" outro laser, fazer com que ondas de luz atravessem materiais opacos e criado um muito estranho feixe de invisibilidade.

"Mas, fora isso, não há requisitos limitantes. O feixe de laser não precisa ter uma forma específica, ele pode ser mais intenso em alguns lugares do que em outros - a absorção quase perfeita é sempre alcançada," finalizou Rotter.

Os experimentos mostraram que nem mesmo a turbulência do ar e flutuações de temperatura conseguem prejudicar o mecanismo.

Um efeito tão robusto pode ter uma ampla gama de aplicações, por exemplo na óptica adaptativa usada em astronomia, capturando perfeitamente sinais de luz distorcidos durante sua passagem pela atmosfera terrestre, além de permitir captar as ondas de luz de fontes muito fracas, como estrelas distantes.

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