Luz helicoidal gira no espaço e no tempo, uma autêntica concha de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2025

Esquema da geração de pulsos helicoidais ópticos e de micro-ondas.
[Imagem: Ren Wang et al. - 10.1038/s41467-025-65916-4]

Luz estruturada

A luz torcida, ou luz quiral, consegue carregar muito mais informações em cada feixe, o que a torna promissora para praticamente todas as tecnologias de comunicação, processamento de dados e sensoriamento.

Esses feixes são conhecidos como luz quiral porque as rotações no sentido horário e anti-horário - ou momento angular orbital - são imagens espelhadas uma da outra.

Mas há muito mais do que isso nesse campo cujo objetivo é essencialmente esculpir a luz.

Uma equipe internacional de pesquisadores de Cingapura, China e Espanha conseguiu pela primeira vez gerar experimentalmente pulsos de luz helicoidais, uma forma de luz há muito procurada que se torce através do espaço e do tempo.

Ao contrário dos feixes de vórtice convencionais, que espiralam apenas em sua estrutura espacial, os pulsos helicoidais são pacotes de ondas de ciclo único cujos padrões de campo giram simultaneamente no espaço e no tempo, uma autêntica concha de luz.

Estrutura espaço-temporal e propagação dos pulsos helicoidais.
[Imagem: Ren Wang et al. - 10.1038/s41467-025-65916-4]

Luz helicoidal

O conceito de pulsos eletromagnéticos helicoidais foi introduzido em trabalhos teóricos há mais de vinte anos, mas a geração prática era considerada extremamente desafiadora devido à necessidade de uma enorme largura de banda e um acoplamento espaço-temporal preciso. Ren Wang e seus colegas superaram essas barreiras desenvolvendo duas rotas experimentais independentes, que funcionam em regimes de frequência muito diferentes.

No domínio óptico, os pesquisadores geraram os pulsos partindo de uma forma de onda estruturada conhecida como pulso toroidal e separando seus componentes quirais internos por meio do controle de sua polarização. Utilizando pulsos ultracurtas de laser, metassuperfícies e óptica de polarização, eles isolaram um pulso helicoidal quase linearmente polarizado, visualizando diretamente seu campo de torção característico por meio de medições baseadas em difração. Os resultados revelam um forte acoplamento espaço-temporal e uma clara estrutura de campo helicoidal tridimensional.

No domínio das micro-ondas, a equipe criou pulsos helicoidais irradiando-os diretamente a partir de uma antena espiral de braço duplo de banda ultralarga especialmente projetada. Ao contrário das antenas convencionais, que tendem a destruir estruturas topológicas delicadas, a nova antena foi projetada sem um suporte metálico, sendo acionada por sinais no domínio do tempo precisamente ajustados. Essa abordagem produziu pulsos helicoidais de ciclo único verdadeiros, cujos campos apresentam uma estrutura tridimensional com componentes transversais e longitudinais entrelaçados.

Aparato de geração dos pulsos eletromagnéticos helicoidais.
[Imagem: Ren Wang et al. - 10.1038/s41467-025-65916-4]

Inúmeras aplicações

Estas são as primeiras confirmações experimentais diretas de uma classe de soluções eletromagnéticas que antes existiam apenas na teoria.

Ao demonstrar que a luz visível e as micro-ondas podem ser moldadas em pulsos de ciclo único com distorção espaço-temporal, o trabalho cria uma nova plataforma para tecnologias futuras, incluindo comunicações de altíssima velocidade, codificação robusta de informações, imagens de precisão, manipulação de partículas e o estudo de campos eletromagnéticos topológicos em uma ampla gama de frequências.

"Os vórtices ópticos, um pilar da luz estruturada, têm sido um foco de pesquisa por mais de três décadas, encontrando diversas aplicações em pinças ópticas, comunicação, entrelaçamento quântico, óptica não-linear, microscopia, metrologia e outros domínios. Avanços recentes na integração do controle temporal com vórtices ópticos possibilitaram ainda mais a manipulação genética," lembra a equipe. "As propriedades [dos pulsos de luz helicoidais] os posicionam como candidatos promissores para o avanço das comunicações ópticas de alta capacidade e da óptica ultrarrápida, atraindo interesse teórico e experimental."

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