Um estranho mundo novo da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica 

A metassuperfície usa a polarização da luz para criar feixes com os mais diversos formatos. [Imagem: Second Bay Studio/Harvard SEAS]

Luz estruturada

Ao longo dos últimos dez anos, os físicos desenvolveram materiais nanoestruturados que podem produzir feixes de luz completamente fora do padrão, que apresentam comportamentos estranhos, como flexão em espiral, formato de saca-rolhas ou que se dividem como um Y.

Esses chamados feixes estruturados de luz estão não apenas revelando coisas desconhecidas sobre a física da luz, como também têm uma ampla gama de aplicações práticas, desde imagens de super resolução em microscópios e telescópios, até a manipulação molecular por raios tratores de luz e as comunicações por luz sem fibras ópticas.

Agora, os pesquisadores desenvolveram uma ferramenta que gera novos estados de luz mais complexos de uma maneira completamente diferente e configurável.

"Nós desenvolvemos uma metassuperfície que é uma nova ferramenta para estudar aspectos inéditos da luz. Este componente óptico possibilita operações muito mais complexas e permite aos pesquisadores não só explorar novos estados da luz, mas também novas aplicações para a luz estruturada," disse o professor Federico Capasso, da Universidade de Harvard, nos EUA.

Momento angular e polarização

A metassuperfície conecta dois aspectos da luz: o momento angular orbital e a polarização circular (ou impulso angular de rotação). Em uma comparação com um planeta, o momento orbital descreve como o planeta orbita o Sol e a polarização circular descreve como o planeta gira em torno do seu próprio eixo (rotação).

Já era possível usar a polarização da luz para controlar o tamanho e a forma desses feixes exóticos, mas a conexão era limitada porque apenas certas polarizações podiam ser convertidas em determinados momentos orbitais.

O novo metamaterial amplia significativamente essa conexão. Ele pode ser projetado de forma que qualquer polarização de entrada pode resultar em qualquer saída de momento angular orbital. Em outras palavras, qualquer polarização pode produzir qualquer tipo de luz estruturada, de espirais e saca-rolhas a vórtices de qualquer tamanho.

Outra grande vantagem é que a metassuperfície é multifuncional, podendo ser programada para que uma polarização resulte em um vórtice e uma polarização diferente resulte em outro vórtice completamente diferente.

Exemplos de luz estruturada, mostrando cortes transversais dos feixes. [Imagem: Robert C. Devlin et al. - 10.1126/science.aao5392]

Aplicações

Entre as potenciais aplicações desse dispositivo está a manipulação molecular e as pinças ópticas, que usam a luz para mover moléculas e nanopartículas - o momento orbital da luz é forte o suficiente para girar e mover partículas microscópicas.

Outros campos de aplicação incluem imagens de alta resolução, feixes de luz para computação quântica, comunicação óptica pelo espaço livre e novos estados da luz em lasers.

Bibliografia:

Arbitrary spin-to-orbital angular momentum conversion of light
Robert C. Devlin, Antonio Ambrosio, Noah A. Rubin, J. P. Balthasar Mueller, Federico Capasso
Science
Vol.: eaao5392
DOI: 10.1126/science.aao5392