Pesquisadores criam ondas de luz que podem penetrar até materiais opacos

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Créditos: Allard Mosk / Matthias Kühmayer.

Por Stefan Rotter
Publicado na Technische Universität Wien

Por que o açúcar não é transparente? Porque a luz que penetra em uma porção de açúcar é espalhada, alterada e desviada de uma forma altamente complexa. No entanto, como uma equipe de pesquisa da Universidade Técnica de Viena (Áustria) e da Universidade de Utreque (Holanda) agora foi capaz de mostrar, há uma classe de ondas de luz muito especial para qual isso não se aplica: para qualquer meio específico desordenado – como o cubo de açúcar que você acabou de colocar no seu café – feixes de luz feitos sob medida podem ser construídos sem praticamente ser alterados por este meio, mas apenas atenuados. O feixe de luz penetra no meio e um padrão de luz chega do outro lado com a mesma forma como se o meio não estivesse lá.

Essa ideia de “modos de luz invariante por dispersão” também pode ser usada para examinar especificamente o interior de objetos. Os resultados foram publicados na revista Nature Photonics.

Um número astronômico de formas de onda possíveis

As ondas em uma superfície de água turbulenta podem assumir um número infinito de formas diferentes – e de forma semelhante, as ondas de luz também podem ser feitas em inúmeras formas diferentes. “Cada um desses padrões de onda de luz é alterado e desviado de uma maneira muito específica quando você o envia através de um meio desordenado”, explica o Prof. Stefan Rotter do Instituto de Física Teórica da Universidade Técnica de Viena.

Junto com sua equipe, Stefan Rotter está desenvolvendo métodos matemáticos para descrever esses efeitos de dispersão de luz. A experiência para produzir e caracterizar tais campos de luz complexos foi contribuída pela equipe do Prof. Allard Mosk na Universidade de Utreque. “Como meio de dispersão de luz, usamos uma camada de óxido de zinco – um pó branco opaco de nanopartículas dispostas de maneira totalmente aleatória”, explica Allard Mosk, chefe do grupo de pesquisa experimental.

Primeiro, você deve caracterizar essa camada com precisão. Assim, você deve emitir sinais de luz muito específicos através do pó de óxido de zinco e medir como eles chegam ao detector atrás dele. A partir disso, você pode concluir como qualquer outra onda é alterada por este meio – em particular, você pode calcular especificamente qual padrão de onda é alterado por esta camada de óxido de zinco exatamente como se a dispersão de onda estivesse totalmente ausente nesta camada.

“Como pudemos mostrar, há uma classe muito especial de ondas de luz – os chamados modos de luz invariante por dispersão, que produzem exatamente o mesmo padrão de onda no detector, independentemente da onda de luz ter sido enviada apenas pelo ar ou se teve que penetrar na complexa camada de óxido de zinco”, disse Stefan Rotter. “No experimento, vemos que o óxido de zinco realmente não muda a forma dessas ondas de luz – elas apenas ficam um pouco mais fracas no geral”, explica Allard Mosk.

Para comparação: O feixe de luz sem dispersão. Créditos: Allard Mosk / Matthias Kühmayer.

Uma constelação estelar no detector de luz

Por mais especiais e raros que esses modos de luz invariante ​​por dispersão possam ser, diante do número teoricamente ilimitado de ondas de luz possíveis, ainda se pode encontrar muitos deles. E se você combinar vários desses modos de luz invariante por dispersão da maneira certa, você obterá uma forma de onda invariante de dispersão novamente.

“Dessa forma, pelo menos dentro de certos limites, você é bastante livre para escolher qual imagem deseja enviar através do objeto sem interferência”, disse Jeroen Bosch, que trabalhou no experimento como aluno de Ph.D. “Para o experimento, escolhemos uma constelação como exemplo: a Ursa Maior. E, de fato, foi possível determinar uma onda invariante por dispersão que envia uma imagem da Ursa Maior para o detector, independentemente da onda de luz ser espalhada pela camada de óxido de zinco ou não. Para o detector, o feixe de luz parece quase o mesmo em ambos os casos”.

Uma olhada dentro das células

Este método de localização de padrões de luz que penetram um objeto praticamente imperturbável também pode ser usado para procedimentos de imagem. “Em hospitais, os raios-X são usados ​​para olhar dentro do corpo – eles têm um comprimento de onda mais curto e podem, portanto, penetrar em nossa pele. Mas a maneira como uma onda de luz penetra em um objeto depende não apenas do comprimento de onda, mas também da forma de onda”, disse Matthias Kühmayer, que trabalha como aluno de Ph.D. em simulações computacionais de propagação de ondas. “Se você deseja focar a luz dentro de um objeto em certos pontos, nosso método abre possibilidades completamente novas. Fomos capazes de mostrar que, usando nossa abordagem, a distribuição da luz dentro da camada de óxido de zinco também pode ser controlada especificamente”. Isso pode ser interessante para experimentos biológicos, por exemplo, onde você deseja introduzir luz em pontos muito específicos para observar o interior das células.

O que a publicação conjunta de cientistas da Holanda e da Áustria já mostra é a importância da cooperação internacional entre teoria e experimento para o progresso nesta área de pesquisa.