Rumo à invisibilidade total, pesquisadores criam transparência sob demanda

Sissy Gudat - University of Rostock - 26/07/2022

Transparência induzida: O controle preciso do fluxo de energia (indicado por partículas brilhantes na neblina) faz com que o material artificial fique totalmente transparente para o sinal óptico.
[Imagem: Andrea Steinfurth/University of Rostock]

Transparência em qualquer meio

Espaço, a fronteira final. A nave estelar Enterprise segue em sua missão de explorar a galáxia, quando todos os canais de comunicação são subitamente cortados conforme a nave entra em uma densa nebulosa.

Em muitos episódios da icônica série, a valente equipe precisa "hackear a tecnologia" e "dar um upgrade na ciência" em apenas 45 minutos de tempo de duração de cada episódio, para facilitar sua fuga desta ou de situações semelhantes, antes que os créditos finais comecem a correr.

Apesar de gastar um tempo significativamente maior em seus laboratórios, uma equipe de cientistas da Universidade de Rostock, na Alemanha, conseguiu desenvolver uma abordagem totalmente nova para projetar materiais artificiais capazes de transmitir sinais de luz sem quaisquer distorções por meio de fluxos de energia precisamente ajustados - justamente o que a Enterprise precisaria para se comunicar através da nebulosa.

"Quando a luz se espalha em um meio não homogêneo, ela sofre dispersão. Esse efeito rapidamente transforma um feixe compacto e direcionado em um brilho difuso, e é familiar para todos nós tanto nas nuvens de verão quanto na neblina do outono," disse o professor Alexander Szameit.

Notavelmente, é a distribuição de densidade microscópica de um material que dita as especificidades do espalhamento da luz. "A ideia fundamental da transparência induzida é aproveitar uma propriedade óptica muito menos conhecida para abrir caminho para o feixe, por assim dizer," completou Szameit.

Ilustração do conceito: Ondas preservadoras de forma e transparência induzida em meios não-Hermitianos.
[Imagem: Andrea Steinfurth et al. - 10.1126/sciadv.abl7412]

Neutralizando a degradação da luz

Esta segunda propriedade a que o pesquisador se refere, conhecida no campo da fotônica sob o misterioso título de não-Hermiticidade, descreve o fluxo de energia, ou, mais precisamente, a amplificação e a atenuação da luz.

Intuitivamente, os efeitos associados podem parecer indesejáveis - particularmente o desvanecimento de um feixe de luz devido à absorção parece altamente contraproducente para a tarefa de melhorar a transmissão de um sinal. No entanto, os efeitos não-hermitianos tornaram-se um aspecto fundamental da óptica moderna, e todo um campo de pesquisa se esforça para tirar proveito da interação sofisticada entre perdas e amplificação, com o objetivo de obter funcionalidades avançadas.

"Esta abordagem abre possibilidades inteiramente novas," conta a pesquisadora Andrea Steinfurth, principal responsável pela inovação relatada agora pela equipe. Em relação a um feixe de luz, torna-se possível amplificar ou amortecer seletivamente partes específicas de um feixe no nível microscópico para neutralizar qualquer início de degradação. Para permanecer na imagem da nebulosa, suas propriedades de dispersão de luz podem ser completamente suprimidas.

"Nós estamos modificando ativamente um material para adaptá-lo à melhor transmissão possível de um sinal de luz específico," explicou Steinfurth. "Para isso, o fluxo de energia deve ser controlado com precisão, para que ele possa se encaixar no material e no sinal, como peças de um quebra-cabeça."

Este trabalho é um passo adiante na pesquisa da equipe, que já havia criado um Feixe de Transparência.
[Imagem: Andrea Steinfurth et al. - 10.1126/sciadv.abl7412]

Invisibilidade prática

Em estreita colaboração com parceiros da Universidade de Tecnologia de Viena, os pesquisadores enfrentaram com sucesso esse desafio. Em seus experimentos, eles foram capazes de recriar e observar, em redes de fibras ópticas de quilômetros de comprimento, as interações microscópicas dos sinais de luz com seus materiais ativos recém-desenvolvidos.

Na verdade, a transparência induzida é apenas uma das fascinantes possibilidades que surgem desta descoberta. Se quisermos efetivamente fazer um objeto desaparecer, a prevenção da dispersão não é suficiente. Em vez disso, as ondas de luz devem emergir por trás dele completamente ilesas. No entanto, mesmo no vácuo do espaço, a difração por si só garante que qualquer sinal inevitavelmente terá sua forma alterada.

"Nossa pesquisa fornece a receita para estruturar um material de tal forma que os feixes de luz passem como se nem o material, nem a própria região do espaço que ele ocupa, existissem. Nem mesmo os dispositivos de camuflagem fictícios dos romulanos podem fazer isso," disse o pesquisador Matthias Heinrich, retornando às comparações com a fronteira final de Jornada nas Estrelas.

As descobertas representam um avanço na pesquisa fundamental sobre fotônica não-hermitiana e fornecem novas abordagens para o ajuste fino ativo de sistemas ópticos sensíveis, por exemplo, sensores para uso médico.

Outras aplicações potenciais incluem criptografia óptica e transmissão segura de dados, bem como a síntese de materiais artificiais versáteis com propriedades personalizadas.

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