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Dec 08, 2023

Fótons se chocam – em um espelho do tempo

Normalmente, as ondas eletromagnéticas passam umas pelas outras invisíveis e imperturbadas. Fazer com que os feixes de luz se notem não é tarefa fácil. Normalmente, os cientistas devem persuadi-los a interagir através de

Normalmente, as ondas eletromagnéticas passam umas pelas outras invisíveis e imperturbadas. Fazer com que os feixes de luz se notem não é tarefa fácil. Normalmente, os cientistas devem persuadi-los a interagir através de materiais complexos. Agora, os físicos do Centro de Pesquisa Científica Avançada da Universidade da Cidade de Nova York (CUNY) projetaram uma maneira fundamentalmente nova de fazer os feixes de luz colidirem entre si – refletindo-os no mesmo espelho no tempo. Ao controlar luz com luz, a equipe também mostrou as capacidades de modelagem de feixe de sua técnica, com possíveis aplicações em telecomunicações e medição científica.

A equipe demonstrou sua tecnologia de espelho do tempo em março, mas agora eles mostraram que dois pulsos de luz opostos que atingem o mesmo espelho do tempo podem colidir um com o outro, como objetos massivos. Além disso, os pesquisadores podem exercer controle sobre o tipo de colisão que ocorre. Os pulsos de luz, relatam os pesquisadores, podem colidir elasticamente, como duas bolas de bilhar quicando uma na outra; inelásticamente, como dois pedaços de Silly Putty batendo um no outro e grudando; ou construtivamente, como duas bolas com mecanismos acionados por mola acionadas pela colisão, disparando mais rápido do que se uniram.

“Você pode decidir se a energia total do sistema diminui, aumenta ou permanece a mesma.” — Andrea Alù, CUNY

“Nós as chamamos de colisões de fótons porque nos lembram de como dois objetos massivos interagem quando se chocam”, diz Andrea Alù, ilustre professor de física na CUNY e autor sênior do estudo. “O que é notável nesta interface de tempo é que se você escolher o instante em que a dirige, poderá decidir se a energia total do sistema diminui, aumenta ou permanece a mesma.”

Para criar o espelho do tempo, a equipe usou um metamaterial especialmente projetado. Um espelho regular é formado por uma mudança abrupta no índice de refração entre dois materiais, fazendo com que a luz seja refletida na interface. Da mesma forma, um espelho do tempo é formado por uma mudança abrupta no índice de refração – mas no tempo. A luz refletida no tempo ainda viaja na mesma direção, mas para trás – como uma gravação de som reproduzida ao contrário.

Este chip de metamaterial é capaz de criar um espelho do tempo para as ondas de luz que viajam através dele, permitindo que duas ondas de luz colidam uma com a outra. Centro de Pesquisa Científica Avançada Shawn Rhea/CUNY

Os pesquisadores conseguiram esse espelho do tempo usando uma linha de transmissão sinuosa de 6 metros de comprimento impressa em um chip. Eles conectaram muitos interruptores, conectaram capacitores entre a linha de transmissão e o solo a cada 20 centímetros, mais próximos do que um comprimento de onda da luz. Ao ligar ou desligar esses capacitores, eles poderiam alterar o índice de refração do material em até 3 nanossegundos. “De repente, parece que a onda está num meio completamente diferente”, diz Alù.

Eles enviaram pulsos de luz um para o outro de ambas as extremidades da linha de transmissão e trocaram o índice de refração em diferentes pontos no tempo. Ao alterar a sobreposição dos dois feixes de luz durante a troca, eles poderiam mudar a natureza da colisão – elástica, inelástica ou construtiva.

Além do mais, ao escolher a forma de um dos feixes de luz e o momento da mudança, os pesquisadores poderiam efetivamente remodelar o outro feixe para atender às suas necessidades. Eles demonstraram apagar uma seção de um sinal de luz e encurtar um pulso. Como a interface de tempo funciona para uma grande variedade de frequências, esse método pode ser usado para moldar a luz de banda larga; é muito útil para comunicações sem fio. A capacidade de moldar a luz em rajadas cada vez mais curtas também é uma grande promessa para aplicações de detecção e medição.

A equipe está atualmente trabalhando na extensão deste método aos regimes de luz visível e infravermelha. Eles esperam que o efeito da interação das ondas persista em uma ampla variedade de ambientes. “Em princípio, seria possível matar um tsunami [eletromagnético] usando esta técnica. Você tem um tsunami vindo em sua direção e então você envia uma onda contra ele”, diz Alù. “Claro, você tem que moldá-lo corretamente. E você tem que fazer essa transição acontecer, mas você pode suprimir completamente as ondas que vêm em sua direção.”