Soprando cata-ventos de luz: Criadas formas 3D vivas de luz

Com informações da NTU - 02/09/2025

Estrutura topológica do toron, que emerge de um monopolo vermelho, espirala pelo espaço e desaparece em um antimonopolo azul (à esquerda), com uma estrutura semelhante a um cata-vento de arco-íris.
[Imagem: Haijun Wu et al. - 10.1103/8pb4-zy7c]

Cata-vento de luz

Imagine brincar de soprar um cata-vento, vendo as lâminas girarem mais rápido, mais devagar, para um lado e depois para o outro.

Agora, imagine substituir o brinquedo por luz pura, um feixe mais ou menos da espessura de um fio de cabelo, e troque o sopro por dois polos ("norte" e "sul"), que podem ser controlados à vontade, para fazer a luz girar para lá e cá, na velocidade que você quiser.

Isso, em essência, foi o que fizeram Haijun Wu e colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, que levaram o fenômeno da luz torcida a um novo patamar.

Os cientistas esculpiram o spin do fóton, o pequeno giro que dá à luz sua energia rotacional, criando um nó tridimensional que eles chamam de toron.

Um toron é uma estrutura topológica tridimensional complexa que pode ser gerada no campo da luz - pense nele como um nó ou vórtice de luz, mas com uma arquitetura espacial muito específica e robusta.

O nó se parece com um cata-vento com lâminas coloridas congelado em meio a um giro, ancorado em cada extremidade por "monopolos". Essas excitações topológicas tridimensionais, que combinam monopolos de defeitos pontuais com tubos de skyrmions em espiral, só haviam sido vistas anteriormente em cristais líquidos.

Surpreendentemente, agora eles podem ser produzidos na luz.

Conceito da topologia do toron fotônico.
[Imagem: Haijun Wu et al. - 10.1103/8pb4-zy7c]

Toron fotônico

O truque para geração dessas estruturas na luz está em um dispositivo do tamanho de uma caixa de sapatos. Um laser passa por um holograma programável (pense nele como um pequeno projetor de cinema) que pinta espirais complexas no feixe do laser. Ajustando apenas dois controles deslizantes em uma tela de computador - sem lentes para realinhar, sem cristais para trocar - os pesquisadores demonstraram que é possível fazer o cata-vento de luz girar para cima, para baixo ou se dissolver graciosamente em outras formas, como hópfions e tubos skyrmions.

Como toda a escultura é codificada na própria rotação da luz, ela é virtualmente imune a poeira, vibrações e até mesmo à oscilação do próprio laser. Essa robustez torna os torons blocos fundamentais para a construção de circuitos ópticos, que poderão transportar muito mais dados do que os links de fibra óptica atuais, ou funcionar como pinças ópticas invisíveis para guiar nanopartículas dentro de células vivas.

"Pela primeira vez, não apenas criamos um toron fotônico, mas também realizamos experimentalmente uma família de topologias - skyrmions, hópfions e monopolos - usando o spin da luz, e podemos alternar deterministicamente entre elas por meio de transições de fase topológicas. Ao contrário de realizações anteriores, que se limitavam a materiais, essas estruturas agora vivem no espaço livre e podem ser transportadas à vontade como novos portadores de informação óptica," disse o professor Yijie Shen.

E a equipe quer mais: O próximo passo será ver se a mesma dança do cata-vento pode ser induzida a partir de ondas sonoras, plásmons em superfícies metálicas ou mesmo em átomos ultrafrios. Se for, o humilde cata-vento pode se tornar o mascote universal de uma nova era da tecnologia fotônica topológica.

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