Refração negativa da luz obtida com átomos, em vez de metamateriais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/02/2025

Sempre houve muito interesse em controlar a luz de maneiras que parecem desafiar as leis da natureza porque isso tem muitas aplicações potenciais.
[Imagem: Lancaster University]

Refração negativa

Pela primeira vez, cientistas demonstraram que é possível obter um índice de refração negativo em cristais cuidadosamente projetados a partir de átomos de elementos químicos comuns, sem a necessidade de usar metamateriais fabricados artificialmente, que também precisam ser muito maiores do que matrizes de átomos.

A refração ocorre quando a luz muda de direção ao passar, por exemplo, do ar para a água ou para um vidro. A refração negativa, no entanto, é um efeito não natural, no qual a luz em um meio se curva na direção oposta ao que é tipicamente observado na natureza.

Os materiais naturais interagem com a luz por meio de transições atômicas, onde elétrons saltam entre diferentes níveis de energia. No entanto, esse processo de interação tem limitações significativas. Por exemplo, a luz, que é radiação eletromagnética, interage principalmente com seu componente de campo elétrico, deixando o componente de campo magnético amplamente sem uso.

Daí o fascínio pela refração negativa, que pode ter aplicações inovadoras, como criar uma lente perfeita, capaz de focar e gerar imagens além do limite de difração, ou desenvolver dispositivos de camuflagem - ou mantos de invisibilidade - que tornam os objetos invisíveis.

Essas possibilidades, juntamente com as restrições inerentes às propriedades ópticas dos materiais naturais, levaram ao desenvolvimento dos metamateriais, ou materiais projetados artificialmente - em vez de átomos dos elementos químicos conhecidos, eles são feitos com meta-átomos, nanoestruturas que funcionam como nanoantenas para manipular ondas (não precisa ser só onda de luz) e então gerar o fenômeno da refração negativa.

Mas agora Janne Ruostekoski e Kyle Ballantine, da Universidade Lancaster (Reino Unido), e Lewis Ruks, do Laboratório de Pesquisas Básicas NTT (Japão), demonstraram que é possível "naturalizar" tudo, gerando o índice de refração negativo com átomos naturais cuidadosamente ajustados.

Refração negativa e transmissão de luz através de um meio atômico.
[Imagem: L. Ruks et al. - 10.1038/s41467-025-56250-w]

Cristais de luz

A nova abordagem para obter a refração negativa começou com simulações computadorizadas detalhadas - átomo por átomo - da luz se propagando através de matrizes atômicas.

O efeito de refração negativa pode ser obtido prendendo átomos em redes ópticas periódicas. Redes ópticas são como "caixas de ovos" feitas de luz, onde os átomos são mantidos nos "poços" entre os raios de luz que se cruzam, que essencialmente funcionam como ondas de luz estacionárias - pense na coisa como um "cristal artificial".

"Esses cristais atômicos precisamente dispostos permitem que os pesquisadores controlem as interações entre átomos e luz com extraordinária precisão, abrindo caminho para novas tecnologias baseadas em refração negativa," disse Ruks.

As simulações comprovaram que a resposta cooperativa dos átomos pode permitir a refração negativa, eliminando completamente a necessidade de usar metamateriais.

"Nesses casos, os átomos interagem uns com os outros por meio do campo de luz, respondendo coletivamente, em vez de independentemente. Isso significa que a resposta de um único átomo não fornece mais um guia simples para o comportamento de todo o conjunto. Em vez disso, as interações coletivas dão origem a propriedades ópticas emergentes, como refração negativa, que não podem ser previstas examinando átomos individuais isoladamente," detalhou Ruostekoski.

Refração negativa em uma rede de 5 camadas de átomos de dois níveis com espaçamento de rede.
[Imagem: L. Ruks et al. - 10.1038/s41467-025-56250-w]

Vantagens e desvantagens

O comportamento coletivo dos átomos em redes ópticas oferece várias vantagens importantes.

Diferentemente dos metamateriais fabricados artificialmente, os sistemas atômicos fornecem um meio puro e limpo, livre de imperfeições de fabricação, dizem os pesquisadores. Nesses sistemas, a luz interage com os átomos de maneira controlada e precisa, sem as perdas de absorção das nanoantenas, que normalmente convertem parte da luz em calor.

Essas propriedades únicas fazem dos meios atômicos uma alternativa promissora aos metamateriais para aplicações práticas de refração negativa, embora a implantação desses sistemas seja mais delicada e mais difícil de ser tornada portátil.

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