Uma rede de guias de ondas, parecida com as ruas de uma cidade, pode levar a novas formas de controlar a luz, superando os dispositivos atuais de invisibilidade, "lentes perfeitas" e telecomunicações.[Imagem: E. Feigenbaum/Caltech]
Nos anos recentes, os pesquisadores criaram as primeiras versões das "capas de invisibilidade" e fibras ópticas avançadas manipulando a luz com estruturas compostas por unidade básicas minúsculas que se repetem.
No último exemplar da revista Physical Review Letters, uma dupla de cientistas propõe uma maneira diferente de construir um material óptico artificial, usando uma rede de filamentos capazes de guiar a luz.
Se esses metamateriais fotônicos se tornarem práticos, eles poderão abrir novos caminhos para controlar a luz em tecnologias que vão das telecomunicações de alta velocidade até a geração de imagens de alta resolução.
Cristais fotônicos e metamateriais
Uma estrutura bem conhecida para a manipulação da luz, chamada cristal fotônico, é formada por uma repetição ordenada de características em duas ou três dimensões - como um cubo de plástico transparente com buracos perfurados através dele em um espaçamento preciso.
A interferência das ondas de luz que atravessam a estrutura favorece a reflexão de alguns comprimentos de onda, criando cores brilhantes - o mesmo acontece no caso de estruturas naturais, como as asas de borboleta, que contêm estruturas microscópicas repetidas.
Em outra técnica, os pesquisadores organizam pequenas estruturas, que funcionam como antenas, para formar os metamateriais.
Essas estruturas podem ter propriedades ópticas não encontradas na natureza, como um índice de refração negativo, que pode tornar objetos invisíveis, ou eventualmente permitir a criação de lentes perfeitas.
Ruas de luz
Mas, tanto nos cristais fotônicos quanto nos metamateriais, as ondas de luz refletem-se pelo volume do material para produzir os efeitos desejados.
Agora, Eyal Feigenbaum e Harry Atwater, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), propuseram um esquema diferente, no qual os sinais de luz viajam ao longo de caminhos lineares predefinidos - ou guias de onda - que se cruzam em vários locais, como as ruas de uma cidade planejada.
Ao escolher os comprimentos das várias rotas entre dois cruzamentos quaisquer, ou ajustando a velocidade que a luz viaja ao longo das diferentes rotas, os pesquisadores podem controlar quais comprimentos de onda irão se cancelar ou serão reforçados.
Além disso, as propriedades podem variar de um local para outro no interior da estrutura, o que contrasta com a uniformidade de um cristal fotônico. "A capacidade de controlar as propriedades das ondas em qualquer local é a grande vantagem aqui," diz Feigenbaum.
Ruas de ouro
Para ilustrar o conceito, os pesquisadores realizaram exaustivas simulações em computador dessas redes bidimensionais de guias de onda.
Cada guia de onda é formado por dois "perfis" de ouro, com uma pequena folga entre eles para confinar a luz. Quando essa distância entre os dois perfis de ouro é muito menor do que o comprimento de onda, as ondas de luz acoplam-se fortemente ao metal.
Qualquer luz que atingir um cruzamento entre dois guias de onda dispersa-se em quantidades iguais em todas as quatro direções, de acordo com um trabalho anterior de Feigenbaum. Ele e Atwater agora calcularam como a luz viaja em uma rede infinita desses cruzamentos parecidos com ruas.
Aprisionando a luz
Imagine dois pulsos de luz que se aproximem de uma intersecção, vindos de duas "ruas" perpendiculares.
Se os dois pulsos estiverem em fase - suas ondas estiverem sincronizadas - a luz não retornará nas direções reversas, de onde vieram, e só vão sair pelas duas ruas à frente.
Mas se os dois pulsos estiverem fora de fase eles interferem um com o outro de uma forma que envia a luz apenas nas direções de onde vieram os pulsos originais.
Isto significa que os pulsos podem ser aprisionados em torno de um único "quarteirão" da estrutura, colidindo e refletindo sempre que se encontrarem nos cruzamentos. Os pesquisadores calcularam que os pulsos colidirão dezenas de vezes nesse ressonador, antes de se atenuarem e desparecerem.
Efeitos ópticos
O longo tempo de vida dos pulsos de luz sob controle permite a criação de efeitos ópticos mais complexos, dadas as múltiplas possibilidades de interação na rede completa de "ruas ópticas".
Por exemplo, os pesquisadores descobriram que algumas faixas de comprimento de onda têm sua propagação complemente "proibida" - uma das características básicas dos cristais fotônicos.
Mas o projeto da rede de caminhos ópticos pode permitir uma maior flexibilidade, diz Feigenbaum. Por exemplo, mesmo uma pequena rede pode ser ajustada para selecionar comprimentos de onda específicos para comunicações ópticas.
Alternativamente, materiais ópticos sintéticos usados como lentes podem ser otimizados por meio de propriedades da rede que variam de acordo com a posição.
A equipe já está avançada na fabricação de estruturas experimentais para testar as suas previsões teóricas, e os cálculos sugerem que efeitos semelhantes deverão ocorrer também em estruturas tridimensionais.
Chip óptico
A estrutura proposta é "mais do que um intermediário entre os sistemas periódicos já existentes," avalia Henri Benisty, do Instituto de Óptica, em Palaiseau, na França.
Ela poderá ser construída utilizando a tecnologia padrão de construção de chips. Mas ele também se pergunta se as interseções críticas poderão ser feitas com precisão suficiente em matrizes em grande escala.
Este é o menor mapa 3D da Terra, construído com uma nova ferramenta de fabricação para a nanotecnologia criada por cientistas da IBM. Apesar da precisão dos detalhes em escala nanométrica, só vista por microscópio, o mapa inteiro é do tamanho de um grão de sal. [Imagem: Knoll et al./Advanced Materials]