Luz é focalizada e desfocada no espaço livre, sem lentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/02/2026

Ilustração do fenômeno de autoimagem espacialmente estruturado conhecido como efeito Montgomery. A paleta de cores corresponde ao perfil de fase da luz, revelando a frente de onda helicoidal da luz com momento angular orbital, que reaparece ao longo da propagação.
[Imagem: Joshua Mornhinweg]

Focar sem lentes

Para focar a luz, basta uma lente, certo? Sim, mas para aplicações de ponta o verbo "exigir" deveria fazer parte da frase, uma vez que lentes são grandes e pesadas, atrapalhando os esforços de miniaturização e integração.

A novidade é que é possível focalizar e desfocalizar - ou, se preferir, focar e desfocar - um feixe de luz repetidamente no espaço livre, sem precisar usar uma lente.

Esta demonstração inédita, que deverá impulsionar inúmeras áreas da fotônica, confirma uma previsão teórica feita na década de 1960, mas que ninguém até hoje havia conseguido colocar em prática.

O resultado é uma autoimagem controlável, sem nenhuma lente ou espelho, que poderá melhorar várias tecnologias fotônicas atuais, além de viabilizar outras, incluindo conjuntos de pinças ópticas e imagens ópticas multiplanares sem fundo.

"Nossa plataforma de autoimagem totalmente programável pode encontrar aplicação em uma ampla gama de campos, desde computadores quânticos de grande escala baseados em átomos neutros até microscopia multiplanar simultânea," disse Murat Yessenov, da Universidade de Harvard, nos EUA.

Conceito dos efeitos Talbot e Montgomery.
[Imagem: Murat Yessenov et al. - 10.1364/OPTICA.582198]

Efeito Talbot e Efeito Montgomery

A focalização sem lentes parece um tanto mágica: Um feixe de luz coerente aparentemente some no ar, para depois se refocalizar nitidamente repetidas vezes no espaço livre, a distâncias perfeitamente definidas - pense em luzes que se acendem no ar, precisamente espaçadas, mas sem que haja lâmpadas em cada ponto iluminado.

Esse fenômeno, conhecido como Efeito Montgomery, foi previsto matematicamente na década de 1960, mas nunca havia sido observado em condições controladas de laboratório. Yessenov se inspirou em outro fenômeno físico intimamente relacionado, chamado Efeito Talbot, que já é explorado em muitas tecnologias ópticas atualmente.

O Efeito Talbot ocorre quando a onda plana de uma fonte de luz coerente incide sobre uma estrutura periódica conhecida como grade de difração: Imagens dessa grade surgem a distâncias também periódicas, chamadas de distâncias de Talbot. As imagens repetidas são chamadas autoimagens ou imagens Talbot. Isso é usado em inúmeras aplicações que empregam o que se chama de autoimagem sem lentes, incluindo a litografia para fabricação de chips, metrologia, sensoriamento e aprisionamento de átomos, por exemplo para uso como qubits em computadores quânticos.

Mas o efeito Talbot tem uma limitação fundamental: Ele só funciona quando o padrão inicial da grade de difração é estritamente periódico. Além disso, o aparato tende a produzir cópias indesejadas da imagem, bem como luz de fundo, dificultando a criação de luz limpa, controlada e com foco preciso no espaço livre.

Foi o físico David Montgomery (1936-2023) quem demonstrou que seria possível evitar tudo isso, criando autoimagens com praticamente qualquer padrão de luz, e não apenas periódicos. Essa demonstração matemática agora finalmente virou realidade.

Distribuições de intensidade axial medidas em tapetes de Montgomery.
[Imagem: Murat Yessenov et al. - 10.1364/OPTICA.582198]

Computadores quânticos 3D

A equipe utilizou um dispositivo chamado modulador espacial de luz, um elemento óptico programável semelhante a um projetor digital, para moldar cuidadosamente a fase de um feixe de laser de forma a satisfazer matematicamente as condições necessárias para a autoimagem.

O resultado é um feixe que se desfoca à medida que se afasta do plano inicial, se refocaliza em um ponto nítido a uma distância escolhida e repete esse ciclo várias vezes à frente, no espaço livre.

Como previsto por Montgomery, o efeito funciona para uma variedade de feixes estruturados, incluindo formatos em espiral, conjuntos de múltiplos pontos e padrões mais exóticos.

A técnica é particularmente poderosa porque permite concentrar a luz em locais bem definidos, mantendo a intensidade de fundo baixa. Nos computadores quânticos que usam átomos neutros como qubits, os átomos individuais são mantidos em posições precisas por pinças ópticas, mas hoje esses conjuntos de átomos ficam confinados a um único plano. Tirando proveito do Efeito Montgomery será possível criar matrizes de pinças ópticas em várias profundidades, viabilizando arquiteturas 3D de computadores quânticos.

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