Eletrônica

Lei da Física que imperava a 100 anos é revogada

Lei da Física que imperava a 100 anos é revogada
Ilustração de uma transferência de energia por interferência de onda e ressonância de uma fonte para outra - uma descrição do conceito fundamental de ressonância. [Imagem: EPFL - Bionanophotonic Systems Laboratory]

Lei da física revogada

Pesquisadores da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desbancaram uma teoria que foi considerada como uma limitação fundamental da física por mais de 100 anos.

Eles conseguiram projetar sistemas ressonantes que podem armazenar ondas eletromagnéticas durante longos períodos de tempo, mantendo uma ampla largura de banda.

A quebra dessa limitação deverá ter um grande impacto em muitos campos da engenharia e da física. O número de aplicações potenciais tende ao infinito, com as telecomunicações, sistemas de detecção óptica e colheita de energia de banda larga representando apenas alguns exemplos de aplicações mais imediatas.

Fator Q

Sistemas ressonantes e de guia de ondas estão presentes na grande maioria dos sistemas ópticos e eletrônicos - para produzir lasers, fazer circuitos eletrônicos e realizar diagnósticos médicos, entre muitos outros exemplos. Seu papel é armazenar energia temporariamente na forma de ondas eletromagnéticas e, em seguida, liberá-las.

Durante mais de 100 cem anos, esses sistemas obedeceram a uma limitação que os cientistas consideravam fundamental: o tempo que uma onda pode ser armazenada seria inversamente proporcional à sua largura de banda.

Esta relação era interpretada como significando que seria impossível armazenar grandes quantidades de dados em sistemas de ressonância ou de guias de onda durante um longo período de tempo, porque aumentar a largura de banda significaria diminuir o tempo de armazenamento e a qualidade do armazenamento.

Esta "lei" foi formulada por K. S. Johnson, em 1914, que foi quem introduziu o conceito do Fator Q, segundo o qual um ressonador pode, ou armazenar energia por um longo período de tempo ou ter uma ampla largura de banda, mas não ambos ao mesmo tempo.

Até agora, esse conceito nunca havia sido desafiado. Físicos e engenheiros sempre construíram sistemas ressonantes com essa restrição em mente.

Morte do Fator Q

Mas essa limitação agora é coisa do passado. Kosmas Tsakmakidis e seus colegas construíram um sistema híbrido de ressonância e guia de onda feito de um material magneto-óptico que, quando recebe um campo magnético, é capaz de parar a onda e armazená-la por um longo tempo, acumulando assim grandes quantidades de energia. Então, quando o campo magnético é desligado, o pulso preso é liberado.

Com isto, torna-se possível armazenar uma onda por um longo período de tempo, ao mesmo tempo mantendo uma grande largura de banda. Neste experimento inicial, o limite convencional tempo/largura de banda foi superado por um fator de 1.000. A equipe demonstrou ainda que, ao menos em teoria, não existe nenhum limite superior para esses sistemas assimétricos.

"Foi um momento de revelação quando descobrimos que essas novas estruturas não apresentavam nenhuma restrição de largura de banda. Esses sistemas são diferentes daquilo com que todos estávamos acostumados por décadas e possivelmente por centenas de anos," disse Tsakmakidis.

Lei da Física que imperava a 100 anos é revogada
Ilustração de como foi quebrada a "lei da física" conhecida como Fator Q. [Imagem: Kosmas Tsakmakidis et al. - 10.1126/science.aam6662]

O limite é a imaginação

Com esta nova técnica, deverá ser possível melhorar muito as telecomunicações.

Outras aplicações potenciais incluem a espectroscopia on-chip, a colheita e armazenamento de energia de banda larga, além de camuflagens ópticas - os chamados mantos da invisibilidade - muito melhores do que as atuais.

"A descoberta que descrevemos é completamente fundamental - estamos dando aos pesquisadores uma nova ferramenta. E o número de aplicações é limitado apenas pela imaginação de cada um," resumiu Tsakmakidis.

Bibliografia:

Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering
Kosmas Tsakmakidis, Linfang Shen, S. A. Schulz, X. Zheng, J. Upham, X. Deng, Hatice Altug, Alexandre F. Vakakis, Robert W. Boyd
Science
Vol.: 356, Issue 6344, pp. 1260-1264
DOI: 10.1126/science.aam6662




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