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Aproveitar e controlar a luz é vital para o desenvolvimento da tecnologia, incluindo captação de energia, computação, comunicações e detecção biomédica. No entanto, em cenários do mundo real, a complexidade do comportamento da luz coloca desafios ao seu controlo eficiente. O físico Andrea Alù compara o comportamento da luz em sistemas caóticos à tacada inicial de um jogo de bilhar.
“No bilhar, pequenas variações na maneira como você lança a bola branca levarão a diferentes padrões de bolas quicando ao redor da mesa”, disse Alù, Professor Einstein de Física no CUNY Graduate Center, diretor fundador da Iniciativa Fotônica da CUNY. Centro de Pesquisa Científica Avançada e professor ilustre da CUNY. “Os raios de luz operam de maneira semelhante em uma cavidade caótica. Torna-se difícil modelar para prever o que acontecerá porque você pode realizar um experimento muitas vezes com configurações semelhantes e obterá uma resposta diferente a cada vez.”
Em um novo estudo publicado em Física da Natureza, uma equipe liderada por pesquisadores do CUNY Graduate Center descreve uma nova plataforma para controlar o comportamento caótico da luz, adaptando seus padrões de dispersão usando a própria luz. O projeto foi liderado pelos co-autores Xuefeng Jiang, um ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Alù que agora é professor assistente de Física na Universidade Seton Hall, e Shixiong Yin, um estudante de pós-graduação no laboratório de Alù.
As plataformas convencionais para estudar o comportamento da luz normalmente usam cavidades ressonantes circulares ou de formato regular, nas quais a luz salta e se espalha em padrões mais previsíveis. Em uma cavidade circular, por exemplo, apenas frequências previsíveis e distintas (cores de luz) sobrevivem, e cada frequência suportada está associada a um padrão ou modo espacial específico. Um modo em uma única frequência é suficiente para compreender a física em jogo em uma cavidade circular, mas esta abordagem não libera toda a complexidade dos comportamentos da luz vistos em plataformas complexas, disse Jaing.
“Em uma cavidade que suporta padrões caóticos de luz, qualquer frequência única injetada na cavidade pode excitar milhares de padrões de luz, o que se acredita convencionalmente que condena as chances de controlar a resposta óptica”, disse Jaing. “Demonstramos que é possível controlar esse comportamento caótico”.
Para enfrentar o desafio, a equipe projetou uma grande cavidade em forma de estádio com uma parte superior aberta e dois canais em lados opostos que direcionam a luz para dentro da cavidade. À medida que a luz que entra se espalha pelas paredes e salta, uma câmera acima registra a quantidade de luz que escapa do estádio e seus padrões espaciais.
O dispositivo possui botões nas laterais para gerenciar a intensidade da luz nas duas entradas e o atraso entre elas. Canais opostos fazem com que os feixes de luz interfiram entre si na cavidade do estádio, possibilitando o controle do espalhamento de um feixe pelo outro por meio de um processo conhecido como controle coerente – essencialmente, usando a luz para controlar a luz, segundo Alù. Ao ajustar a intensidade relativa e o atraso dos feixes de luz que entram nos dois canais, notavelmente, os pesquisadores alteraram consistentemente o padrão de radiação da luz fora da cavidade.
Esse controle foi possibilitado por meio de um comportamento raro da luz em cavidades ressonantes, denominado “modos de espalhamento sem reflexão” (RSMs), que já havia sido previsto teoricamente antes, mas não observado em sistemas de cavidades ópticas. Segundo Yin, a capacidade de manipular RSMs demonstrada neste trabalho permite a excitação e o controle eficientes de sistemas ópticos complexos, o que tem implicações para armazenamento de energia, computação e processamento de sinais.
“Descobrimos que em certas frequências nosso sistema pode suportar dois RSMs independentes e sobrepostos, que fazem com que toda a luz entre na cavidade do estádio sem refletir de volta às portas do canal, permitindo assim seu controle”, disse Yin. “Nossa demonstração trata de sinais ópticos dentro da largura de banda das fibras ópticas que usamos em nossa vida diária, então esta descoberta abre um novo caminho para melhor armazenamento, roteamento e controle de sinais de luz em plataformas ópticas complexas.”
Os pesquisadores pretendem incorporar botões adicionais em estudos futuros, oferecendo mais graus de liberdade para desvendar maiores complexidades no comportamento da luz.
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