Em muitas situações, é justo dizer que a luz viaja em linha reta sem muita coisa acontecendo ao longo do caminho. Mas a luz também pode ocultar padrões e comportamentos complexos que apenas um observador cuidadoso pode descobrir.

Isso é possível porque a luz se comporta como uma onda, com propriedades que desempenham um papel em vários fenômenos interessantes. Uma dessas propriedades é a fase, que mede onde você está em uma onda ondulante - se você se senta em um pico, uma calha ou algum lugar no meio. Quando duas ondas de luz (de outra forma idênticas) se encontram e estão fora de fase, eles podem interferir uns com os outros, combinando para criar padrões intrincados. A fase é parte integrante de como as ondas de luz interagem umas com as outras e como a energia flui em um feixe ou pulso de luz.

Pesquisadores da Universidade de Maryland, liderado pelo professor de física Howard Milchberg UMD, descobriram novas maneiras pelas quais a fase da luz pode formar espirais ópticas - padrões conhecidos como vórtices ópticos espaço-temporais (STOVs). Em artigo publicado na revista Optica em 18 de dezembro, 2019, os pesquisadores capturaram a primeira visão desses vórtices de fase situados no espaço e no tempo, desenvolver um novo método para observar pulsos ultrarrápidos de luz.

Cada STOV é um pulso de luz com um padrão específico de intensidade - uma medida de onde a energia está concentrada - e fase. Nos STOVs preparados por Milchberg e seus colaboradores, a intensidade forma um loop no espaço e no tempo que os pesquisadores descrevem como um donut voador de ponta:Se você pudesse ver o pulso voando em sua direção, você veria apenas a borda do donut e não o buraco. (Veja a imagem mais à esquerda abaixo, onde os tempos negativos são anteriores.) Na mesma região do espaço e do tempo, a fase do pulso de luz forma um padrão espiralado, criando um vórtice centrado no furo do donut (imagem mais à direita).

Milchberg e seus colegas descobriram STOVs em 2016, quando encontraram estruturas semelhantes a "anéis de fumaça óptica" formando-se em torno de feixes de laser intensos. Esses anéis têm uma fase que varia em torno de sua borda, como as correntes de ar girando em torno de um anel de fumaça. Os vórtices feitos no novo estudo têm uma estrutura semelhante, mas mais simples:se você pensar no anel de fumaça original como uma pulseira feita de contas, os novos STOVs são como as contas individuais.

O trabalho anterior mostrou que os STOVs fornecem uma estrutura elegante para a compreensão de um conhecido efeito de laser de alta intensidade - a autoguiação. Em alta intensidade, este efeito ocorre quando um pulso de laser, interagindo com o meio pelo qual está viajando, se comprime em um feixe estreito. Os pesquisadores mostraram que, neste processo, STOVs são responsáveis ​​por direcionar o fluxo de energia e remodelar o laser, empurrando energia junto em sua frente e separada em suas costas.

Essa descoberta inicial examinou como esses anéis se formaram em torno de um feixe de luz em duas dimensões. Mas os pesquisadores não puderam explorar o funcionamento interno dos vórtices porque cada pulso é muito curto e rápido para ser capturado por técnicas previamente estabelecidas. Cada pulso passa em apenas femtossegundos - cerca de 100 trilhões de vezes mais rápido do que um piscar de olhos.

"Não são pulsos de microssegundos ou mesmo de nanossegundos que você apenas usa a eletrônica para capturar, "diz Sina Zahedpour, co-autor do artigo e associado pós-doutorado em física da UMD. "São pulsos extremamente curtos de que você precisa para usar truques ópticos de imagem."

Para capturar a intensidade e a fase dos novos STOVs, os pesquisadores precisaram preparar três pulsos adicionais. O primeiro pulso encontrou o STOV dentro de uma janela de vidro fina, produzindo um padrão de interferência codificado com a intensidade e fase STOV. Esse padrão foi lido usando dois pulsos mais longos, produzindo dados como os mostrados na imagem acima.

"As ferramentas que antes olhávamos apenas para a amplitude da luz, "diz Scott Hancock, um estudante de graduação em física da UMD e primeiro autor do artigo. "Agora, podemos obter a imagem completa com a fase, e esta é a prova de que o princípio funciona para estudar fenômenos ultrarrápidos. "

STOVs podem ter uma resiliência que é útil para aplicações práticas porque sua torção, fase em forma de parafuso torna-os robustos contra pequenos obstáculos. Por exemplo, enquanto um STOV viaja pelo ar, partes do pulso podem ser bloqueadas por gotículas de água e outras partículas pequenas. Mas conforme eles continuam, os STOVs tendem a preencher as pequenas seções que foram danificadas, reparar pequenos danos de uma forma que pudesse ajudar a preservar qualquer informação registrada no pulso. Também, porque um pulso STOV é tão curto e rápido, é indiferente às flutuações normais do ar que são comparativamente lentas.

"A geração controlada de vórtices ópticos espaço-temporais pode levar a aplicações como a propagação resiliente de informações ou potência do feixe através de turbulência ou neblina, "diz Milchberg." Estes são importantes para aplicações como comunicações ópticas de espaço livre usando lasers ou para fornecer energia de estações terrestres para veículos aéreos. "