Ondas de luz colidiram como se fossem objetos massivos – Physics World

Ondas de luz colidiram como se fossem objetos massivos – Physics World

Carimbo de data / hora: 14 de setembro de 2023 4:00

Desenho esquemático de uma colisão de fótons em uma interface de tempo, mostrando duas ondas se propagando pelas faces de dois relógios e uma explosão amarela onde elas se encontram
Entrada: Desenho esquemático de uma colisão de fótons em uma interface de tempo, que é um metamaterial que pode sofrer mudanças abruptas e grandes em suas propriedades eletromagnéticas. (Cortesia: Anna Umana, Centro de Pesquisa Científica Avançada do CUNY Graduate Center)

Os fótons podem colidir como se fossem objetos massivos graças a metamateriais conhecidos como interfaces de tempo que sofrem mudanças abruptas em suas propriedades ópticas. Esta é a conclusão de investigadores da City University de Nova Iorque, EUA, que afirmam que o seu trabalho poderá ter aplicações em comunicações sem fios, imagens e tecnologias de recolha de energia.

Quando dois objetos se chocam, eles colidem e sua energia cinética é conservada, perdida ou aumentada, dependendo de suas propriedades mecânicas. Em contraste, dois fótons (ondas eletromagnéticas) geralmente passam um através do outro, embora seu encontro possa se manifestar por meio de fenômenos ondulatórios, como a interferência. No entanto, a situação é muito diferente quando eles se espalham por uma estrutura com perdas à medida que interferem. Neste caso, a energia pode passar entre eles de forma que seja totalmente transmitida ou absorvida dependendo da amplitude e fase relativa dos fótons. Este “controlo coerente das ondas”, como é conhecido, pode ser explorado para criar fenómenos como a absorção perfeita – isto é, a interferência destrutiva das ondas à medida que a sua energia é completamente dissipada – e para adaptar a quantidade de absorção conforme necessário.

Pesquisadores liderados por físico e engenheiro Andrea Alù mostraram agora que podem criar uma nova forma de controle sobre as trocas de energia entre fótons. No processo, eles realizaram o análogo fotônico de uma colisão mecânica para ondas eletromagnéticas usando metamateriais que podem sofrer mudanças abruptas e grandes em suas propriedades eletromagnéticas. Essas variações permitiram que a equipe criasse uma estrutura conhecida como interface de tempo.

“Quando duas ondas que se propagam em direções opostas experimentam tal interface enquanto estão sobrepostas, elas experimentam trocas de energia extremamente rápidas, como se estivessem colidindo com objetos”, explica Alù. “A fase relativa das duas ondas pode controlar a natureza desta colisão, que pode conservar energia, dissipá-la ou amplificá-la.” Nesta forma de controle de onda coerente temporal, as ondas refletidas na interface de tempo interferem destrutivamente nas ondas refratadas. Sob condições adequadas, isto permite que uma ou mesmo ambas as ondas sejam canceladas.

Moldando pulsos eletromagnéticos

Os investigadores tiveram a ideia para o seu novo trabalho depois de se perguntarem se seria possível apagar uma onda mecânica indesejada, como um tsunami ou uma onda sísmica, “lançando” outra onda semelhante contra ela para neutralizá-la. “Embora tal resultado seja impossível na física de ondas convencional, sabíamos que era possível, em princípio, com um metamaterial temporal”, diz Emanuele Galiffi, pós-doutorado no laboratório de Alù e autor principal de um estudo em Física da Natureza no trabalho. “Nosso experimento nos permitiu demonstrar esse conceito em ação para ondas eletromagnéticas.”

Este análogo fotônico de colisões mecânicas também poderia ser usado para moldar pulsos eletromagnéticos, colidindo-os uns contra os outros. Os pesquisadores demonstraram tal escultura para ondas eletromagnéticas no regime de micro-ondas e agora pretendem conseguir isso em frequências mais altas usando dispositivos como transistores de grafeno de alta velocidade em vez de interfaces de tempo.

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