As ondas sonoras quebram a reciprocidade da transmissão de luz

Normalmente, a luz transmite a mesma em ambas as direções: se eu posso ver você, você pode me ver. Agora, no entanto, os pesquisadores criaram um dispositivo que usa ondas sonoras que viajam para quebrar essa simetria, reduzindo assim fenômenos ópticos indesejados, como retroespalhamento. O novo dispositivo é o primeiro a produzir esse efeito benéfico para vórtices ópticos seletivos, usados ​​em comunicações ópticas, e também pode ter aplicações para pinças ópticas e lasers baseados em vórtices.

Os vórtices são onipresentes na natureza – em gases, fluidos, plasma e DNA, por exemplo. Nos vórtices ópticos, a frente de onda de um feixe de luz espirala em torno do eixo central de propagação do feixe, assumindo uma forma helicoidal com intensidade zero no núcleo. Esse efeito espiralado ocorre porque a luz carrega momento angular orbital (OAM). Essa forma de momento angular é distinta do momento angular de rotação mais familiar, que se manifesta na polarização e só foi descoberto em 1992.

Como as informações podem ser codificadas em OAM, os vórtices ópticos são muito promissores para a multiplexação, que é o processo de enviar vários sinais ópticos por uma única fibra com interferência mínima ou outros efeitos prejudiciais. Até agora, no entanto, tem sido um desafio fabricar dispositivos nos quais certos modelos de vórtice se propagam em apenas uma direção. Isso se deve a um princípio fundamental da ótica conhecido como reciprocidade, que implica que os sinais de luz se propagam livremente em ambas as direções através de uma fibra ótica. Esse tráfego bidirecional pode causar problemas como retroespalhamento, que reduz a intensidade do sinal transmitido.

Ondas sonoras manipulam ondas ópticas

Uma equipe liderada por Xing Lin Zeng, Filipe Russell e Birgit Stiller da Instituto Max Planck para a Ciência da Luz agora usou a propagação de ondas sonoras para quebrar essa reciprocidade de transmissão de luz para modelos de vórtice escolhidos. Em seu trabalho, eles usaram as ondas sonoras para manipular ondas ópticas em uma fibra de cristal fotônico quiral por meio de uma interação conhecida como espalhamento Brillouin-Mandelstam estimulado por topologia seletiva. Os pesquisadores explicam que, à medida que as ondas sonoras viajam em uma direção, elas naturalmente permitem um comportamento não recíproco para a interação optoacústica. Desta forma, os modos OAM podem ser fortemente suprimidos ou amplificados, evitando retroespalhamento aleatório e minimizando assim a degradação do sinal.

Stiller e seus colegas relatam que seu novo dispositivo pode ser reconfigurado como um amplificador ou como um isolador óptico de vórtice ajustando a frequência do sinal de controle. De fato, eles demonstraram um isolamento de vórtice de 22 decibéis, que se compara bem com os melhores isoladores de modo fundamental que usam espalhamento Brillouin-Mandelstam estimulado.

Pesquisadores encontram momento angular 'perdido'

De acordo com Stiller, as aplicações potenciais do dispositivo incluem comunicação quântica baseada em OAM e esquemas de emaranhamento, bem como comunicações ópticas clássicas que usam modos OAM (de ordem fundamental e superior) para aumentar a capacidade dos canais de comunicação. “A possibilidade de manipulação seletiva de modos de vórtice por ondas de luz e som [é] um conceito muito fascinante”, diz Stiller.

Os pesquisadores, que detalham seu trabalho em Os avanços da ciência, agora planeja estudar ondas sonoras mais exóticas que possuem estruturas incomuns. “Queremos ver como essas ondas interagem com a luz em fibras ópticas quirais”, diz Stiller Mundo da física.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/sound-waves-break-light-transmission-reciprocity/