Termodinâmica da luz leva tecnologias ópticas a um novo patamar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2025

Sim, a luz também pode ser domada seguindo os princípios comuns e bem conhecidos da termodinâmica.
[Imagem: Yunxuan Wei/USC]

Termodinâmica óptica

A fotônica vem se estabelecendo como uma das áreas mais inovadoras da atualidade. Lembre-se dos computadores que funcionam com luz, da manipulação da matéria com luz e dos cristais feitos de nós de luz, apenas para citar alguns exemplos.

Mas Hediyeh Dinani e colegas da Universidade do Sul da Califórnia apresentaram agora um avanço que promete afetar todas as outras pesquisas nessa área.

A pesquisadora criou o primeiro dispositivo óptico que segue a estrutura emergente da termodinâmica óptica - sim, a luz sendo manipulada de modo análogo aos processos termodinâmicos comuns, como a expansão, a compressão e até mesmo as transições de fase da termodinâmica clássica.

O dispositivo introduz um modo fundamentalmente novo de direcionar a luz em sistemas não lineares, um modo que não requer interruptores, controle externo ou endereçamento digital. Em vez disso, a luz encontra naturalmente seu caminho através do dispositivo, guiada por princípios termodinâmicos simples.

Ao transformar o caos desses sistemas não lineares em previsibilidade, a termodinâmica óptica abre caminho para a criação de uma nova classe de dispositivos fotônicos que poderão tirar proveito da complexidade desses sistemas - em vez de lutar contra ela.

Regime de canalização e roteamento óptico.
[Imagem: Hediyeh M. Dinani et al. - 10.1038/s41566-025-01756-4]

Roteamento de luz pela termodinâmica

O problema básico envolvido aqui é o roteamento, conceito familiar na engenharia que pode se referir a coisas tão diferentes quanto o roteamento de fluidos pelos encanamentos de uma indústria química e o roteamento dos sinais digitais nas redes informáticas.

Na mecânica, uma válvula pode direcionar as entradas de um gás ou líquido para uma saída escolhida. Na eletrônica digital, um roteador Wi-Fi em casa ou um switch Ethernet em uma central de dados direcionam as informações de vários canais de entrada para a porta de saída correta, garantindo que cada fluxo de dados chegue ao seu destino pretendido.

Quando se trata de trabalhar com a luz, como na computação fotônica, o mesmo problema é muito mais complexo: Os roteadores ópticos convencionais dependem de conjuntos intrincados de guias de ondas, espelhos, chaves e controles eletrônicos para alternar os caminhos de cada feixe de luz. Essas abordagens aumentam a dificuldade técnica, ao mesmo tempo que limitam a velocidade e o desempenho do sistema como um todo.

O que Dinani e seus colegas mostraram é que há outro caminho. A ideia pode ser comparada a bolinhas de gude que se organizam sozinhas em um labirinto. Normalmente, seria necessário levantar barreiras para guiar cada bolinha passo a passo, garantindo que ela chegue ao seu destino - o buraco certo. Usando a termodinâmica, no entanto, o labirinto pode ser construído de forma que, não importa onde você solte a bolinha, ela rolará sozinha em direção ao lugar certo, sem necessidade de intervenção humana.

E é exatamente assim que a luz se comporta: Ela encontra o caminho correto naturalmente, seguindo os princípios da termodinâmica da luz.

Canalização não linear da luz.
[Imagem: Hediyeh M. Dinani et al. - 10.1038/s41566-025-01756-4]

Do caos aos computadores

Sistemas ópticos não lineares são frequentemente taxados de caóticos e imprevisíveis, o que os deixa à margem das pesquisas visando aplicações práticas. De fato, a complexa interação entre seus modos os coloca entre os sistemas mais difíceis de simular, quanto mais de projetar para uso prático. No entanto, justamente por não serem limitados pelas regras da óptica linear, eles contêm fenômenos físicos ricos e inexplorados.

Reconhecendo que a luz nesses sistemas passa por um processo semelhante ao de atingir o equilíbrio térmico - similar à forma como os gases atingem o equilíbrio por meio de colisões moleculares - os pesquisadores desenvolveram uma teoria abrangente de termodinâmica óptica. O trabalho descreve como a luz se comporta em redes não lineares usando análogos de processos termodinâmicos comuns, como expansão, compressão e transições de fase.

O princípio é diretamente inspirado na termodinâmica. Assim como um gás que passa por uma expansão de Joule-Thomson redistribui sua pressão e temperatura antes de atingir naturalmente o equilíbrio térmico, a luz dento do dispositivo fotônico criado pela equipe passa por um processo de duas etapas: Primeiro, um análogo óptico da expansão e, em seguida, o equilíbrio térmico. O resultado é um fluxo auto-organizado de fótons para o canal de saída designado, sem a necessidade de interruptores.

"Além do roteamento, essa estrutura também pode viabilizar abordagens totalmente novas para o gerenciamento da luz, com implicações para o processamento de informações, comunicações e a exploração da física fundamental," disse Dinani.

À medida que a computação e o processamento de dados continuam a expandir os limites da eletrônica tradicional, os principais fabricantes de chips estão explorando interconexões ópticas como uma forma de transmitir informações com mais rapidez e eficiência do que se pode fazer com eletricidade. Dispondo de uma maneira natural e auto-organizável de direcionar sinais de luz, a termodinâmica óptica pode acelerar o desenvolvimento dessas tecnologias.

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