(a) A luz com comprimento de onda de 700 nm viajando de baixo para cima é distorcida quando o raio do cilindro (no meio) é de 175 nm. (b) Quase não há distorção quando o cilindro tem um raio de 195 nm. Essas imagens correspondem às condições de invisibilidade previstas pelo cálculo teórico. Crédito: Física Aplicada Express
Um par de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) descreve uma maneira de fazer um cilindro de tamanho submicrônico desaparecer sem o uso de qualquer revestimento especializado. Suas descobertas podem permitir a invisibilidade de materiais naturais na frequência óptica e, eventualmente, levar a uma maneira mais simples de melhorar os dispositivos optoeletrônicos, incluindo tecnologias de detecção e comunicação.
Tornar os objetos invisíveis não é mais fantasia, mas uma ciência em rápida evolução. 'Capas de invisibilidade' usando metamateriais - materiais de engenharia que podem dobrar raios de luz ao redor de um objeto para torná-lo indetectável - agora existem, e estão começando a ser usados para melhorar o desempenho de antenas de satélite e sensores. Muitos dos metamateriais propostos, no entanto, funcionam apenas em faixas de comprimento de onda limitadas, como frequências de micro-ondas.
Agora, Kotaro Kajikawa e Yusuke Kobayashi, do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Tokyo Tech, relatam uma maneira de tornar um cilindro invisível sem capa para iluminação monocromática em frequência óptica - uma faixa mais ampla de comprimentos de onda, incluindo aqueles visíveis ao olho humano.
Eles exploraram inicialmente o que acontece quando uma onda de luz atinge um cilindro imaginário de comprimento infinito. Com base em uma teoria eletromagnética clássica chamada espalhamento de Mie, eles visualizaram a relação entre a eficiência de dispersão de luz do cilindro e o índice de refração. Eles procuraram uma região indicando uma eficiência de espalhamento muito baixa, que eles sabiam que corresponderia à invisibilidade do cilindro.
Depois de identificar uma região adequada, eles determinaram que a invisibilidade ocorreria quando o índice de refração do cilindro varia de 2,7 a 3,8. Alguns materiais naturais úteis se enquadram nesta faixa, como silício (Si), arseneto de alumínio (AlAs) e arsenieto de germânio (GaAs), que são comumente usados na tecnologia de semicondutores.
Animação de simulações de computador Crédito:Kotaro Kajikawa
Assim, em contraste com os procedimentos de fabricação difíceis e caros, muitas vezes associados a revestimentos de metamateriais exóticos, a nova abordagem pode fornecer uma maneira muito mais simples de alcançar a invisibilidade.
Os pesquisadores usaram modelagem numérica baseada no método do domínio de tempo de diferença finita (FDTD) para confirmar as condições para alcançar a invisibilidade. (Ver Figura / Animação.) Observando de perto os perfis do campo magnético, inferiram que “a invisibilidade decorre do cancelamento dos dipolos gerados no cilindro”.
Embora cálculos rigorosos de eficiência de espalhamento até agora só tenham sido possíveis para cilindros e esferas, Kajikawa observa que há planos para testar outras estruturas, mas isso exigiria muito mais poder de computação.
Para verificar as descobertas atuais na prática, deve ser relativamente fácil realizar experimentos usando pequenos cilindros feitos de arsenieto de silício e germânio. Kajikawa diz:"Esperamos colaborar com grupos de pesquisa que agora estão se concentrando em tais nanoestruturas. Então, o próximo passo seria projetar novos dispositivos ópticos. "
As aplicações optoeletrônicas potenciais podem incluir novos tipos de detectores e sensores para as indústrias médica e aeroespacial.
