Raios de escuridão são manipulados como se fossem raios de luz

Com informações da Harvard SEAS - 15/07/2021

Seção transversal da folha de singularidade projetada em forma de coração - a imagem é gerada manipulando os pontos escuros.
[Imagem: Daniel Lim/Harvard SEAS]

O que são singularidades?

Quando pensamos em singularidades, tendemos a pensar em buracos negros massivos em galáxias distantes, ou em um futuro distante com uma inteligência artificial descontrolada, mas as singularidades estão por todos os lados.

Singularidades são simplesmente um lugar onde certos parâmetros são indefinidos. O Pólo Norte e o Pólo Sul, por exemplo, são conhecidos como singularidades coordenadas porque não têm longitude definida.

Já as singularidades ópticas normalmente ocorrem quando a fase da luz com um comprimento de onda específico - uma cor - é indefinida. Essas regiões parecem completamente escuras.

Hoje, algumas singularidades ópticas, incluindo vórtices ópticos, estão sendo exploradas para uso em comunicações ópticas e manipulação de partículas, mas os cientistas estão apenas começando a entender o potencial desse estranho mundo novo da luz.

A questão principal que se coloca é: Será que podemos tirar proveito desses pontos de escuridão do mesmo modo como aproveitamos a luz para construir novas tecnologias?

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Para verificar as possibilidades de manipulação das singularidades ópticas, observe os pontos escuros, não a luz.
[Imagem: Daniel Lim/Harvard SEAS]

Tecnologia da escuridão

Parece que sim, uma vez que pesquisadores da Universidade de Harvard, nos EUA, acabam de desenvolver uma nova maneira de controlar e dar forma às singularidades ópticas.

A técnica pode ser usada para projetar singularidades de muitas formas, muito além de simples linhas curvas ou retas, como já se demonstrou anteriormente. Para demonstrar sua técnica, os pesquisadores criaram uma folha de singularidade em forma de coração - sim, um coração de escuridão no meio da luz.

"As técnicas convencionais de holografia são boas para moldar a luz, mas têm dificuldade em moldar a escuridão," disse o professor Federico Capasso, coordenador da equipe. "Nós demonstramos uma engenharia de singularidade sob demanda, que abre um vasto conjunto de possibilidades em campos abrangentes, desde técnicas de microscopia de super-resolução a novos sistemas de manipulação de átomos e de partículas."

A equipe usou metassuperfícies planas formadas por nanopilares de formato preciso para dar forma às singularidades, manipulando os pontos de escuridão com precisão até formar uma singularidade em todo o plano - a tal folha de singularidade.

"A metassuperfície inclina a frente de onda da luz de uma maneira muito precisa sobre uma superfície, de modo que o padrão de interferência da luz transmitida produz regiões extensas de escuridão," detalhou o pesquisador Daniel Lim. "Esta abordagem nos permite projetar com precisão regiões escuras com contraste notavelmente alto."

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A escuridão é manipulada por pequenas antenas, que controlam os pontos onde nenhuma luz pode chegar.
[Imagem: Daniel Lim/Harvard SEAS]

Escuridão de outras ondas

Enquanto a luz só pode ser focada em regiões medindo cerca de meio comprimento de onda (o limite de difração), a escuridão não tem limite de difração, o que significa que ela pode ser localizada em qualquer tamanho.

Isso permite que a escuridão interaja com as partículas em escalas de comprimento muito menores do que os comprimentos de onda da luz, o que pode ser usado para fornecer informações não apenas sobre o tamanho e a forma das partículas, mas também sobre sua orientação.

E, assim como as pinças ópticas, singularidades projetadas podem ser usadas para capturar átomos em regiões escuras, além de permitir melhorar imagens de microscópios.

Outra potencialidade dessa estranha técnica de manipulação da escuridão é que as singularidades projetadas podem se estender para além das ondas de luz, incluindo outros tipos de ondas.

"Você também pode projetar zonas mortas em ondas de rádio ou zonas silenciosas em ondas acústicas," disse Lim. "Esta pesquisa aponta para a possibilidade de projetar topologias complexas em física de ondas além da óptica, de feixes de elétrons à acústica."

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