Cristais criam pseudogravidade e fazem a luz se curvar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/10/2023

Foto do experimento e resultados da trajetória do feixe de luz.
[Imagem: Kanji Nanjyo et al. - 10.1103/PhysRevA.108.033522]

Pseudogravidade

Pesquisadores manipularam o comportamento da luz, fazendo-a se comportar como ela se estivesse sob a influência da força gravidade.

A teoria da relatividade de Albert Einstein estabeleceu há muito tempo que a trajetória das ondas eletromagnéticas - incluindo a luz visível e demais frequências - pode ser desviada por campos gravitacionais.

A astronomia e a astrofísica usam essa descoberta rotineiramente, tirando proveito das chamadas lentes gravitacionais para observar corpos celestes escondidos por trás de outros - a luz do objeto escondido é curvada pela gravidade do objeto massivo mais próximo de nós, fazendo-a chegar até nós mesmo que aquele objeto original não esteja na linha de visada da Terra.

A descoberta agora é que talvez não seja necessário ter um corpo celeste tão massivo quanto uma galáxia ou um buraco negro para alcançar a gravidade descomunal necessária para forçar essas curvaturas na luz.

Em vez disso, Kanji Nanjyo e colegas da Universidade de Tohoku, no Japão, demonstraram que é possível criar uma pseudogravidade usando um cristal fotônico.

Os cristais fotônicos são estruturas artificiais, tipicamente feitos ranhurando ou perfurando uma pastilha de vidro ou de material semicondutor, ou organizando periodicamente dois ou mais materiais com propriedades diferentes. Tudo é calculado de antemão para interferir com a luz da maneira desejada, permitindo que esses cristais funcionem como autênticos controladores de tráfego da luz.

A equipe japonesa se propôs então a mexer com a luz de modo a simular a força da gravidade de corpos massivos. "Nós decidimos explorar se a distorção da rede em cristais fotônicos poderia produzir efeitos de pseudogravidade," disse a professora Kyoko Kitamura.

Comparação do cristal fotônico distorcido, usado nesta demonstração, e um cristal fotônico tradicional.
[Imagem: Kanji Nanjyo et al. - 10.1103/PhysRevA.108.033522]

Cristal fotônico distorcido

A equipe modificou cristais fotônicos introduzindo distorções na rede, deformações graduais do espaçamento regular dos elementos. Isso interrompeu o padrão de grade dos cristais, alterando a estrutura da sua banda fotônica, o que finalmente resultou em uma trajetória curva do feixe de luz que é disparado em direção ao cristal - exatamente como um raio de luz passando por um corpo celeste massivo, como um buraco negro.

O protótipo construído para testes consiste em um cristal fotônico distorcido de silício com uma constante de rede primária de 200 micrômetros. Experimentos com ondas terahertz demonstraram com sucesso a deflexão dessas ondas.

Muito mais do que uma curiosidade científica, a pseudogravidade produzida por um simples cristal fotônico, fácil de ser fabricado com as técnicas padrão da indústria, pode ter implicações de longo alcance para o mundo da óptica, da fotônica e da ciência dos materiais, incluindo o desenvolvimento das comunicações 6G.

Na verdade, técnicas para fazer a luz fazer curvas suaves tem uma infinidade de aplicações práticas, o que levou à criação de métodos para forçar a luz a fazer curvas em U, fazer com que a luz faça curvas sem truques e sem manipulações, e permitir que a luz seja guiada em qualquer direção. A inovação mais recente nessa área efervescente foi apresentada há poucos dias, quando um laser foi desviado usando apenas o ar, dispensando até mesmo a estrutura sólida do cristal fotônico.

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