Memória de luz: Um material transparente que absorve luz

Com informações do MIPT - 11/12/2017

Este é o esquema de um processo virtual de absorção de luz: uma camada de um material transparente é exposta à luz de ambos os lados, com a intensidade da luz aumentando no tempo.
[Imagem: Denis G. Baranov et al. - 10.1364/OPTICA.4.001457]

De opaco a transparente

Um trio de físicos da Rússia, Suécia e EUA descobriu um efeito óptico totalmente incomum: eles demonstraram que é possível absorver "virtualmente" a luz usando um material que não possui capacidade de absorção da luz.

Em outras palavras, eles descobriram como fazer um material transparente comportar-se como opaco, e fazer isto mexendo apenas na própria luz.

As possibilidades de aplicação de um material assim - quando ele for sintetizado - são inumeráveis, mas destaca-se a possibilidade de criação de memórias para a luz, para os futurísticos computadores fotônicos.

Absorção e espalhamento da luz

A absorção da radiação eletromagnética - das ondas de rádio aos raios gama, passando por todas as frequências da luz - é um dos principais efeitos do eletromagnetismo. Esse processo ocorre quando a energia eletromagnética é convertida em calor ou outro tipo de energia dentro de um material absorvente - ou opaco.

O carvão ou a tinta preta parecem pretos porque absorvem a energia da luz visível quase completamente. Outros materiais, como o vidro ou um cristal de quartzo, por exemplo, não têm propriedades absorventes e, por isso, aparecem aos nossos olhos como transparentes.

Em sua pesquisa teórica, os físicos conseguiram desmontar essa noção simples e intuitiva, tornando perfeitamente possível tornar absorvente um material completamente transparente.

Para isso, eles empregaram propriedades matemáticas especiais da matriz de dispersão, uma função que relaciona um campo eletromagnético incidente com o campo de dispersão do sistema. Quando um feixe de luz de intensidade independente do tempo atinge um objeto transparente, a luz não é absorvida, ela é espalhada pelo material - um fenômeno causado pela propriedade unitária da matriz de dispersão.

O que a matemática revelou, no entanto, é que, se a intensidade do feixe incidente for variada no tempo de uma forma precisa, a propriedade unitária da matriz de dispersão pode ser detonada, pelo menos por algum tempo. Em particular, se o crescimento da intensidade da luz for exponencial, a energia incidente total irá se acumular no material transparente, e não simplesmente passar por ele. Sendo assim, o sistema parecerá perfeitamente absorvente quando visto de fora.

Os cálculos confirmaram que, quando a intensidade da onda incidente cresce exponencialmente (a linha pontilhada), a luz não é transmitida nem refletida (a curva sólida). Ou seja, a camada parece perfeitamente absorvedora apesar do fato de que ela não possui a capacidade de absorção real. Quando o crescimento exponencial da amplitude da onda incidente é interrompido (em t = 0), a energia bloqueada na camada é liberada.
[Imagem: Denis G. Baranov et al. - 10.1364/OPTICA.4.001457]

Aplicações práticas

Essa demonstração não apenas amplia nossa compreensão geral de como a luz se comporta quando interage com materiais transparentes comuns, mas também possui uma ampla gama de aplicações práticas.

Para dar um exemplo, o acúmulo de luz em um material transparente pode ajudar a projetar células de memória óptica que armazenarão informações ópticas sem perdas, liberando-as quando necessário - esse é, de longe, o maior desafio para que os computadores migrem dos elétrons para os fótons, viabilizando a computação de luz.

Agora, a exemplo do que tem ocorrido no campo dos metamateriais e ocorreu particularmente com o hipercristal, começa uma corrida para sintetizar esses materiais transparentes-absorvedores.

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