Convertendo um feixe de laser gaussiano em um vórtice óptico em plasma magnetizado. Um feixe de laser gaussiano de entrada é enviado através de um plasma, que é mediado por um campo magnético simétrico axial gerado por bobinas anti-Helmholtz. Viajar pelo plasma torce a frente de onda do feixe de laser. Os tons de vermelho claro e azul à direita mostram as isosuperfícies da frente de onda em que os campos elétricos são paralelos e perpendiculares às direções azimutais, respectivamente. Os pequenos círculos verdes mostram a polarização. As marcas verdes mostram as direções instantâneas dos campos elétricos. O cilindro sombreado em verde é o plasma e as linhas azuis ilustram as linhas do campo magnético. Crédito:Kenan Qu, Universidade de Princeton
Para obter imagens de resolução extremamente alta vitais para estudar novos materiais, micróbios, e mais, os cientistas costumam construir microscópios com base em vórtices ópticos. A formação desses minúsculos tornados de luz é feita com quartzo ou cristais líquidos. Contudo, o uso de materiais convencionais para microscópios tem seus limites. Conforme o poder do vórtice óptico aumenta, o material literalmente queima e é destruído. Para produzir os vórtices ópticos, os pesquisadores precisavam de uma abordagem melhor. Eles conceberam uma maneira de fazer vórtices ópticos com 1000 vezes mais potência do que os métodos anteriores. Seu design usa forte, campos magnéticos não uniformes para controlar plasmas, ou gases ionizados, para criar os vórtices.
A nova abordagem, conhecido como placa q de plasma, irá revolucionar as fontes de geração de vórtices ópticos. O trabalho impactará uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, a nova abordagem pode levar à microscopia de super-resolução. Isso poderia aumentar a largura de banda da fibra óptica e das comunicações sem fio de ondas milimétricas. Também, a nova abordagem pode beneficiar a comunicação quântica com criptografia inquebrável.
A luz é uma onda progressiva de campos elétricos e magnéticos. Todos nós sabemos que quando uma pedra é jogada em um lago, as frentes de onda formam círculos concêntricos. Para um feixe de luz laser movendo-se uniformemente em uma direção, as frentes de onda formam folhas paralelas com um perfil de intensidade de pico central. Existe outro tipo especial de feixe de luz, chamado de vórtice óptico, cujas frentes de onda se torcem e giram ao passar pelo espaço. Um vórtice óptico tem frentes de onda rotativas e um perfil de intensidade oco. Este vórtice pode prender, girar, e "controlar" partículas microscópicas ou gotículas, funcionando assim como uma "chave óptica" que aumenta a flexibilidade de controle das "pinças ópticas" que podem reter partículas. O desenvolvimento deste método para resfriar e aprisionar partículas ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1997. Microscópios de super-resolução, com resoluções menores até do que o limite de difração de luz, também pode ser construída usando vórtices ópticos (ver Prêmio Nobel de Química de 2014).
Vórtices ópticos de baixa intensidade podem ser formados usando mídia de material birrefringente, como quartzo ou cristal líquido, que dividem a luz em "polarizações" paralelas e perpendiculares. Contudo, o uso de meios convencionais de material para os microscópios tem suas limitações. Conforme a intensidade (potência) do vórtice óptico aumenta, o material literalmente queima. Para produzir vórtices ópticos de alta potência, uma equipe empregou um meio de plasma. A tarefa de criar a estrutura necessária no plasma é desafiadora porque o plasma é inerentemente não estruturado. A abordagem da equipe contorna a dificuldade de criar estrutura introduzindo a anisotropia por meio de um campo magnético. A equipe determinou que um feixe de laser não torcido, após a propagação através do plasma magnetizado, poderia ser convertido em um vórtice óptico. Os plasmas magnetizados podem manipular a frente de onda do laser e converter diretamente um feixe gaussiano de alta intensidade, digamos em um terahertz, em um feixe torcido com alta eficiência.
