Revolução fotônica: Onda em forma de narval miniaturiza a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2025

O segredo para a miniaturização dos computadores de luz está em uma função de onda em formato de narval, que permite o confinamento espacial de um modo próprio eletromagnético e determina diretamente a força das interações luz-matéria.
[Imagem: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Computação baseada na luz

A computação fotônica, com seus processadores que usam fótons em vez de elétrons, já demonstrou largamente suas vantagens em termos de velocidade e eficiência energética em relação aos computadores eletrônicos.

Contudo, ainda há desafios a serem vencidos para que você possa comprar um celular ou um notebook fotônicos: Os componentes ópticos não concorrem com a eletrônica semicondutora quando o assunto é a miniaturização.

A razão é fundamental: O princípio da incerteza de Heisenberg vincula o confinamento espacial da luz ao seu comprimento de onda, que no visível e no infravermelho próximo pode ser até mil vezes maior do que o comprimento de onda dos elétrons. Essa incompatibilidade tem mantido os chips fotônicos volumosos.

A plasmônica oferece uma maneira de contornar a barreira, usando metais para comprimir a luz em volumes abaixo do comprimento de onda. Mas os metais dissipam energia na forma de calor, gerando uma necessidade de fazer uma compensação que atrapalha o progresso em direção a uma integração eficiente e em larga escala dos computadores de luz.

Características da onda em forma de narval e seu modo de geração.
[Imagem: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Onda em forma de narval

As esperanças para um impulso definitivo para a miniaturização da computação com luz começaram a surgir no ano passado, quando uma equipe da Universidade de Pequim, na China, elaborou uma equação de dispersão singular, uma nova estrutura teórica que mostra como a luz pode ser confinada a escalas extremas em materiais dielétricos (isolantes, ou não condutores), e isso sem perdas.

Ao se basear exclusivamente em materiais dielétricos, a abordagem evita as perdas ôhmicas, abrindo caminho para uma nova geração de dispositivos fotônicos compactos e energeticamente eficientes.

Agora, a mesma equipe foi além em sua compreensão do fenômeno, descobrindo que o confinamento extraordinário possibilitado pela equação de dispersão singular emerge de uma nova classe de modos próprios eletromagnéticos, funções de onda especiais com um perfil em forma de narval. A onda assume um perfil que lembra a forma do narval, ou unicórnio-do-mar, uma baleia dentada que apresenta uma presa helicoidal longa e reta, que parece um chifre, mas na verdade é um dente canino superior esquerdo alongado.

Esses modos de onda combinam o reforço da lei de potência local com o decaimento exponencial global, permitindo que os campos eletromagnéticos se concentrem e se comprimam muito além dos limites convencionais ditados pelo comprimento de onda.

Com todo esse entendimento, a equipe então se viu de posse de todas as ferramentas necessárias para demonstrar o efeito na prática.

A onda em formato de narval é produzida por nanolasers dielétricos usando nanoantenas com dimensões em escala atômica.
[Imagem: Yun-Hao Ouyang et al. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Miniaturização da fotônica

Wen-Zhi Mao e seus colegas então projetaram, construíram e demonstraram experimentalmente o funcionamento de um ressonador dielétrico tridimensional capaz de confinar as ondas por subdifração em todas as três dimensões espaciais.

Utilizando medições de varredura de campo próximo, eles observaram diretamente as funções de onda em forma de narval, capturando claramente seu crescimento próximo à singularidade, seguindo a lei de potência, e decaimento exponencial em intervalos maiores. O volume alcançado é minúsculo, de apenas 5 × 10^-7λ³ - lambda representa o comprimento de onda da luz.

O experimento comprova que a equação de dispersão singular dá origem a funções de onda em forma de narval, modos exóticos que capturam a luz em escalas extremas em dielétricos sem perdas, inaugurando o que a equipe chama de "singulônica", um novo paradigma nanofotônico que permite o confinamento da luz em dimensões muito menores do que o comprimento de onda, além do controle dessa luz sem as perdas por dissipação.

O avanço promete finalmente impulsionar o processamento ultraeficiente de informações, abrindo novas direções também na óptica quântica e na microscopia, ampliando o alcance da geração de imagens em super-resolução. Neste último caso, a equipe já usou seu experimento para demonstrar uma nova técnica de microscopia óptica de varredura de campo próximo, que batizaram de microscópio óptico singular, que apresentou uma resolução espacial sem precedentes de λ/1000.

Mais tópicos