Uma década depois de sugerir que a luz pode ser dramaticamente retardada - ou mesmo interrompida - por novos materiais, Ortwin Hess analisa o progresso e as aplicações.

A velocidade máxima da luz é muito rápida:299, 792, 458 metros por segundo. À medida que passa por materiais transparentes, como água ou vidro, ele fica um pouco mais lento. Contudo, os cientistas acham que ao desacelerar a luz em um grau muito maior - tornando-a milhões de vezes mais lenta - eles poderiam usá-la de maneiras totalmente novas, como para transmitir e armazenar informações ou para interrogar e controlar moléculas individuais.

Em 2007, Professor Ortwin Hess, agora Leverhulme Chair in Metamaterials no Departamento de Física do Imperial, publicou um artigo teórico com seu aluno Kosmas Tsakmakidis e seu colaborador Allan Boardman.

Eles sugeriram que usando metamateriais - aqueles projetados para ter propriedades não encontradas na natureza - eles poderiam diminuir a velocidade da luz, e até mesmo prendê-lo. Agora, 10 anos depois, eles publicaram uma crítica em Ciência de como essa ideia levou a novas teorias, experimentos e aplicações.

Conversamos com o professor Hess sobre como a luz lenta forma um 'arco-íris preso', e como as aplicações potenciais agora se estendem ao armazenamento magnético, lasers, imagens biológicas e até mesmo escudos contra terremotos.

O que é o 'arco-íris preso' e como ele funciona?

O processo de criação de um arco-íris preso depende de metamateriais ou estruturas nanoplasmônicas dotadas de propriedades negativas especiais, rodeado por materiais 'normais'.

Conforme a luz se move através do material especial, é empurrado para trás em pequenos passos onde os dois materiais se encontram. É como subir um declive, encosta nevada - a cada passo que você dá, você desliza um pouco para baixo, retardando seu progresso.

A diferença no material é que cada vez que a luz é empurrada para trás, ela fica cada vez mais lenta. Eventualmente, conforme a luz branca diminui, seus diferentes componentes - todas as cores do espectro - param em pontos diferentes, criando um 'arco-íris preso'.

Desde a ideia original, muitos grupos testaram várias maneiras de fazer isso funcionar. Alguns dos materiais mudaram, mas a ideia continua a mesma, e levou a algumas aplicações potenciais interessantes.

Em seu artigo original, você sugeriu que ele pudesse ser usado para transferência de dados. Como isso funcionaria?

Como a luz viaja muito rápido, e é banda larga - o que significa que cobre uma ampla parte do espectro - pode ser um método muito eficiente de transferência de dados. É assim que as conexões de fibra óptica funcionam, por exemplo.

Contudo, para acessar dados de um fluxo de movimento rápido, precisamos desacelerar. É como um carro saindo de uma rodovia - ele tem que reduzir a velocidade ao se aproximar do cruzamento. Este processo é denominado buffering.

Atualmente, para diminuir a velocidade dos sinais de luz, temos que convertê-los em pulsos elétricos, e, em seguida, reconvertê-los em luz, uma vez que eles foram acessados, para recuperar os dados originais. Ao diminuir a velocidade da luz, ao invés de convertê-lo, este processo seria muito mais eficiente. Também poderíamos usar a luz de forma muito mais ampla para transmitir dados em um amplo espectro.

Como você está usando a luz lenta e interrompida em sua pesquisa?

Uma maneira pela qual a luz lenta é útil é aumentar as interações entre a luz e a matéria. Muitas vezes, porque a luz viaja tão rápido, não interage muito com a matéria. Ao desacelerar, podemos tornar essas interações mais fortes, manipulando matéria de novas maneiras.

Por exemplo, Conseguimos isso recentemente em colaboração com a Universidade de Cambridge. Nós seguramos uma molécula e um fóton - uma partícula de luz - em uma pequena armadilha, para que suas propriedades se misturassem.

Minha equipe também está interessada em lasers de luz interrompida. Lasers são fontes amplificadas de luz em comprimentos de onda específicos, que pode ser focado em um feixe e transmitido por longas distâncias sem perder o foco, como uma tocha tradicional.

Lasers são criados bombeando energia para estados eletrônicos, por exemplo, moléculas, fazendo com que emitam fótons quando relaxam para reduzir as energias. Esses fótons são então rebatidos em um espaço confinado, estimulando moléculas mais ativas para liberar fótons sincronizadamente, até que um feixe de alta energia seja criado.

A interrupção da luz permitiria interações mais confinadas entre as moléculas ativas e os fótons, potencialmente permitindo que os lasers sejam formados mais facilmente e mais localmente, sem saltar em um espaço.

Já que você propôs a ideia, as pessoas sugeriram muitas aplicações inovadoras. Você pode nos contar sobre alguns deles?

Teoricamente, as aplicações interessantes para nós têm a ver com a investigação do comportamento quântico da matéria e dos pacotes de luz parada ou ultraslow.

Um exemplo prático interessante é guiar a luz para um pequeno ponto a fim de criar um aquecimento muito local em escalas microscópicas. Uma das principais aplicações disso é o aprimoramento do armazenamento magnético - o tipo que executa o disco rígido do seu computador.

O armazenamento magnético requer a formação de minúsculos campos magnéticos, mas, no momento, esses campos são os menores que podem ser, limitando o quão pequenos podemos fazer os dispositivos de armazenamento. Ao diminuir a velocidade da luz em uma área extremamente confinada, podemos aumentar sua intensidade. Isso causa aquecimento em uma escala muito pequena, criando campos magnéticos em miniatura que significam que podemos aumentar a densidade de armazenamento ou reduzir o tamanho dos dispositivos.

Outra aplicação potencial é em imagens biomédicas. Para visualizar alguns materiais biológicos, a intensidade da luz do laser deve ser aumentada, mas isso pode destruir a amostra. Ao diminuir a velocidade da luz, podemos permitir que ele interaja por mais tempo com a amostra sem danificá-la.

O conceito de 'arco-íris preso' de ondas lentas não foi apenas aplicado à luz. Funciona também para elétrons. E uma ideia realmente inovadora, realmente sendo testado por uma equipe que inclui pesquisadores imperiais, está reduzindo a velocidade das ondas sísmicas. Ao cortar estruturas de estilo metamaterial em grande escala no solo, ou mesmo em árvores, eles mostraram que é possível redirecionar as ondas sísmicas para o solo, protegendo estruturas contra terremotos.