Na EPFL, pesquisadores desafiam uma lei fundamental e descobrem que mais energia eletromagnética pode ser armazenada em sistemas de guia de ondas do que se pensava anteriormente. A descoberta tem implicações nas telecomunicações. Trabalhando em torno da lei fundamental, eles conceberam sistemas de orientação de ondas e ressonantes capazes de armazenar energia por um período prolongado, mantendo uma ampla largura de banda. O truque deles era criar sistemas assimétricos de ressonância ou guia de ondas usando campos magnéticos.

O estudo, que acaba de ser publicado em Ciência , foi liderado por Kosmas Tsakmakidis, primeiro na Universidade de Ottawa e depois no Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos da EPFL administrado por Hatice Altug, onde o pesquisador agora faz pós-doutorado.

Essa descoberta pode ter um grande impacto em muitos campos da engenharia e da física. O número de aplicações potenciais é quase infinito, com telecomunicações, sistemas de detecção óptica e captação de energia de banda larga representam apenas alguns exemplos.

Deixando de lado a reciprocidade

Os sistemas ressonantes e guias de ondas estão presentes na grande maioria dos sistemas ópticos e eletrônicos. Seu papel é armazenar temporariamente energia na forma de ondas eletromagnéticas e depois liberá-las. Por mais de 100 anos, esses sistemas eram travados por uma limitação considerada fundamental:o tempo que uma onda podia ser armazenada era inversamente proporcional à sua largura de banda. Essa relação foi interpretada como significando que era impossível armazenar grandes quantidades de dados em sistemas ressonantes ou guias de ondas por um longo período de tempo porque aumentar a largura de banda significa diminuir o tempo de armazenamento e a qualidade do armazenamento.

Esta lei foi formulada pela primeira vez por K. S. Johnson em 1914, na Western Electric Company (a precursora da Bell Telephone Laboratories). Ele introduziu o conceito do fator Q, segundo o qual um ressonador pode armazenar energia por um longo tempo ou ter uma largura de banda ampla, mas não os dois ao mesmo tempo. Aumentar o tempo de armazenamento significa diminuir a largura de banda, e vice versa. Uma largura de banda pequena significa uma faixa limitada de frequências (ou 'cores') e, portanto, uma quantidade limitada de dados.

Até agora, este conceito nunca foi desafiado. Físicos e engenheiros sempre construíram sistemas ressonantes - como aqueles para produzir lasers, fazer circuitos eletrônicos e conduzir diagnósticos médicos - com essa restrição em mente.

Mas essa limitação agora é coisa do passado. Os pesquisadores criaram um sistema híbrido de ressonância / guia de ondas feito de um material magneto-óptico que, quando um campo magnético é aplicado, é capaz de parar a onda e armazená-la por um período prolongado, acumulando assim grandes quantidades de energia. Então, quando o campo magnético é desligado, o pulso preso é liberado.

Com tais sistemas assimétricos e não recíprocos, era possível armazenar uma onda por um longo período de tempo enquanto também mantinha uma grande largura de banda. O limite de tempo convencional de largura de banda foi ainda superado por um fator de 1, 000. Os cientistas mostraram ainda que, teoricamente, não há nenhum teto superior para esse limite nesses sistemas assimétricos (não recíprocos).

"Foi um momento de revelação quando descobrimos que essas novas estruturas não apresentavam nenhuma restrição de largura de banda de tempo. Esses sistemas são diferentes do que estamos acostumados há décadas, e possivelmente centenas de anos ", diz Tsakmakidis, o principal autor do estudo. "Seu desempenho superior de capacidade de armazenamento de ondas pode realmente ser um facilitador para uma variedade de aplicações interessantes em diversos campos de pesquisa contemporâneos e mais tradicionais." Hatice Altug acrescenta.

Medicina, o meio ambiente e telecomunicações

Uma aplicação possível é o projeto de buffers totalmente óticos extremamente rápidos e eficientes em redes de telecomunicações. A função dos buffers é armazenar temporariamente os dados que chegam na forma de luz por meio de fibras ópticas. Ao diminuir a massa de dados, é mais fácil de processar. Até agora, a qualidade do armazenamento foi limitada. +

Com esta nova técnica, deve ser possível melhorar o processo e armazenar grandes larguras de banda de dados por períodos prolongados. Outras aplicações potenciais incluem espectroscopia no chip, captação de luz de banda larga e armazenamento de energia, e camuflagem óptica de banda larga ("camuflagem de invisibilidade"). "O avanço relatado é completamente fundamental - estamos dando aos pesquisadores uma nova ferramenta. E o número de aplicações é limitado apenas pela imaginação de alguém, "resume Tsakmakidis.