Ondas são capturadas sem perdas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/04/2025

Aparato experimental para demonstrar um fenômeno previsto teoricamente há quase um século, mas só agora realizado.
[Imagem: Yeongtae Jang et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.136901]

Estados ligados no contínuo

Muitas das tecnologias ao nosso redor - dos celulares e aparelhos de ultrassom aos tradicionais rádios - dependem da ressonância, um fenômeno no qual as ondas são amplificadas em frequências específicas. Um inconveniente é que os ressonadores tipicamente perdem energia gradualmente com o tempo, o que torna necessário dar-lhes um aporte constante de energia para manter seu funcionamento.

Há quase um século, John von Neumann (1903-1957) e Eugene Wigner (1902-1995), ambos nobelistas, propuseram um conceito contraintuitivo: Sob certas condições, as ondas poderiam ficar presas indefinidamente, sem qualquer vazamento de energia. O inconveniente aqui é que era só uma teoria - até agora.

Esses casos passaram a ser conhecidos como "estados ligados no contínuo" (BIC: bound states in the continuum) - pense neles como redemoinhos que permanecem no mesmo lugar enquanto o rio flui ao seu redor. Mas, durante décadas, os cientistas acreditaram que esse fenômeno não poderia existir em um sistema compacto de partículas únicas, mesmo sendo algo que poderia dar um impulso incalculável em nossas tecnologias.

Bom, eles podem, acabam de demonstrar Yeongtae Jang e colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul.

Ressonador em partícula única

Utilizando um sistema de partículas granulares cilíndricas, pequenas hastes sólidas feitas de quartzo, os pesquisadores construíram uma plataforma mecânica altamente ajustável. E, ao ajustar com precisão o modo como os cilindros se tocam, eles conseguiram controlar a maneira como as ondas mecânicas interagem nas bordas de contato entre eles.

Sob um alinhamento cuidadoso, um modo de onda ficou totalmente confinado dentro de um único cilindro, sem que nenhuma energia escapasse para a estrutura circundante, finalmente demonstrando experimentalmente um BIC em um único objeto.

Ainda mais notável, o sistema atingiu fatores de qualidade (fatores Q) acima de 1.000 - é uma medida da eficiência com que um ressonador armazena energia com perda mínima.

Detalhe do experimento e evolução do alinhamento de polarização do ressonador (direita).
[Imagem: Yeongtae Jang et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.136901]

Bandas planas

A equipe foi além, e então testou o que acontece quando vários dos seus cilindros são conectados em uma cadeia.

O experimento mostrou que os modos de onda aprisionados podem se estender por toda a cadeia sem se dispersar, um fenômeno conhecido como banda plana. Em uma banda plana, a velocidade de grupo de uma onda se torna zero em uma frequência específica, fazendo com que a energia permaneça confinada dentro da estrutura. Isso resulta em uma alta densidade de estados e forte localização.

"É como jogar uma pedra em um lago parado e ver as ondulações permanecerem imóveis, somente vibrando no mesmo lugar," disse Jang. "Mesmo que o sistema permita o movimento das ondas, a energia não se espalha - ela permanece perfeitamente confinada."

Esse comportamento foi descrito como uma "banda limitada no contínuo" (BBIC) e abre novas possibilidades para coleta de energia, sensores ultrassensíveis e até mesmo comunicações avançadas.

"Nós rompemos uma barreira teórica de longa data," disse o professor Junsuk Rho. "Embora ainda esteja na fase de pesquisa fundamental, as implicações são significativas - desde dispositivos de baixa perda de energia até tecnologias de detecção e sinalização de última geração."

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