p Pesquisadores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz em Erlangen descobriram um novo mecanismo para guiar a luz em fibra de cristal fotônico (PCF). O PCF é uma fibra de vidro muito fina com uma série regular de canais ocos ao longo de seu comprimento. Quando torcido helicoidalmente, esta matriz em espiral de canais ocos atua sobre os raios de luz de maneira análoga à curvatura dos raios de luz quando eles viajam através do espaço curvado gravitacionalmente em torno de uma estrela, conforme descrito pela teoria geral da relatividade. p As fibras ópticas atuam como tubos de luz. E assim como o interior de um tubo é cercado por uma parede, fibras ópticas normalmente têm um núcleo guia de luz, cujo vidro tem um índice de refração mais alto do que o vidro do revestimento externo envolvente. A diferença no índice de refração faz com que a luz seja refletida na interface de revestimento e presa no núcleo como água em um tubo. Uma equipe liderada por Philip Russell, Diretor do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, é o primeiro a conseguir orientar a luz em um PCF sem núcleo.

p Os cristais fotônicos dão às borboletas sua cor e também podem guiar a luz

p Um cristal fotônico típico consiste em um pedaço de vidro com orifícios dispostos em um padrão periódico regular ao longo de seu volume. Uma vez que o vidro e o ar têm diferentes índices de refração, o índice de refração tem uma estrutura periódica. Esta é a razão pela qual esses materiais são chamados de cristais - seus átomos formam um rede tridimensional como encontrada no sal cristalino ou silício, por exemplo. Em um cristal convencional, o projeto preciso da estrutura 3-D determina o comportamento dos elétrons, resultando, por exemplo, em isoladores elétricos, condutores e semicondutores.

p De maneira semelhante, as propriedades ópticas de um cristal fotônico dependem da microestrutura 3-D periódica, que é responsável pelas cores cintilantes de algumas asas de borboleta, por exemplo. Ser capaz de controlar as propriedades ópticas dos materiais é útil em uma ampla variedade de aplicações. As fibras de cristal fotônico desenvolvidas por Philip Russell e sua equipe no Instituto Max Planck de Erlangen podem ser usadas para filtrar comprimentos de onda específicos fora do espectro visível ou para produzir luz muito branca, por exemplo.

p Como é o caso de todas as fibras ópticas usadas nas telecomunicações, todas as fibras de cristal fotônico convencionais têm um núcleo e revestimento, cada um com diferentes índices de refração ou propriedades ópticas. No PCF, os canais cheios de ar já dão ao vidro um índice de refração diferente do que teria se fosse totalmente sólido.

p Os orifícios definem o espaço em uma fibra de cristal fotônico

p "Somos os primeiros a conseguir orientar a luz através de uma fibra sem núcleo, "diz Gordon Wong, do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz em Erlangen. Os pesquisadores que trabalham na equipe de Philip Russell fabricaram uma fibra de cristal fotônico cuja seção transversal completa contém um grande número de canais cheios de ar, cada um com cerca de um milésimo de milímetro de diâmetro, que se estendem ao longo de todo o seu comprimento.

p Embora o núcleo de um PCF convencional seja de vidro sólido, a vista em corte transversal da nova fibra óptica se assemelha a uma peneira. Os orifícios têm separações regulares e são dispostos de forma que cada orifício seja circundado por um hexágono regular de orifícios vizinhos. “Essa estrutura define o espaço na fibra, "explica Ramin Beravat, autor principal da publicação. Os furos podem ser considerados marcadores de distância. O interior da fibra tem então uma espécie de estrutura espacial artificial que é formada por uma rede regular de orifícios.

p "Nós agora fabricamos a fibra em uma forma torcida, "continua Beravat. A torção faz com que os canais ocos se enrolem ao redor do comprimento da fibra em linhas helicoidais. Os pesquisadores então transmitiram luz laser através da fibra. No caso do regular, seção transversal sem núcleo, seria de se esperar que a luz se distribuísse entre os orifícios da peneira tão uniformemente quanto seu padrão determina, ou seja, tanto na borda quanto no centro. Em vez de, os físicos descobriram algo surpreendente:a luz estava concentrada na região central, onde o núcleo de uma fibra óptica convencional está localizado.

p Em um PCF distorcido, a luz segue o caminho mais curto no interior da fibra

p "O efeito é análogo à curvatura do espaço na teoria geral da relatividade de Einstein, "explica Wong. Isso prevê que uma massa pesada como o Sol distorcerá o espaço ao seu redor - ou mais precisamente, distorcer o espaço-tempo, ou seja, a combinação das três dimensões espaciais com a quarta dimensão, tempo - como uma folha de borracha na qual uma esfera de chumbo é colocada. A luz segue essa curvatura. O caminho mais curto entre dois pontos não é mais uma linha reta, mas uma curva. Durante um eclipse solar, estrelas que deveriam estar realmente escondidas atrás do Sol tornam-se visíveis. Os físicos chamam esses caminhos de conexão mais curtos de "geodésicas".

p "Torcendo a fibra, o 'espaço' em nossa fibra de cristal fotônico também fica torcido, "diz Wong. Isso leva a linhas geodésicas helicoidais ao longo das quais a luz viaja. Isso pode ser intuitivamente entendido levando-se em consideração o fato de que a luz sempre segue o caminho mais curto através de um meio. Os fios de vidro entre os canais cheios de ar descrevem espirais, que definem os caminhos possíveis para os raios de luz. O caminho através das espirais largas na borda da fibra é mais longo do que pelas espirais mais estreitas em seu centro, Contudo, resultando em caminhos de raios curvos que em um determinado raio são refletidos por um efeito de cristal fotônico de volta para o eixo da fibra.

p Um PCF torcido como um sensor ambiental em grande escala

p Quanto mais a fibra é torcida, o mais estreito é o espaço dentro do qual a luz se concentra. Em analogia à teoria de Einstein, isso corresponde a uma força gravitacional mais forte e, portanto, a uma maior deflexão da luz. Os pesquisadores baseados em Erlangen escrevem que criaram um "canal topológico" para a luz (a topologia está relacionada às propriedades do espaço que são conservadas sob distorção contínua).

p Os pesquisadores enfatizam que seu trabalho é de pesquisa básica. Eles são um dos poucos grupos de pesquisa que trabalham nesta área em qualquer parte do mundo. No entanto, eles podem pensar em vários aplicativos para sua descoberta. Uma fibra torcida que é menos torcida em determinados intervalos, por exemplo, permitirá que uma parte da luz escape para o exterior. A luz poderia então interagir com o ambiente nesses locais definidos. "Isso poderia ser usado para sensores que medem a absorção de um meio, por exemplo. "Uma rede dessas fibras poderia coletar dados em grandes áreas como um sensor ambiental.