Pesquisadores da University of Central Florida desenvolveram um novo tipo de feixe de laser que não segue princípios de longa data sobre como a luz refrata e viaja.

As evidências, que foram publicados recentemente em Nature Photonics , pode ter enormes implicações para as tecnologias de comunicação óptica e laser.

"Esta nova classe de feixes de laser tem propriedades únicas que não são compartilhadas por feixes de laser comuns, "diz Ayman Abouraddy, professor da Faculdade de Óptica e Fotônica da UCF e o principal investigador do estudo.

As vigas, conhecidos como pacotes de onda do espaço-tempo, seguem regras diferentes quando refratam, é quando eles passam por diferentes materiais. Normalmente, a luz fica mais lenta quando viaja para um material mais denso.

"Em contraste, pacotes de ondas do espaço-tempo podem ser organizados para se comportar da maneira usual, para não mudar a velocidade em tudo, ou mesmo para acelerar anormalmente em materiais mais densos, "Abouraddy diz." Como tal, esses pulsos de luz podem chegar a diferentes pontos do espaço ao mesmo tempo. "

"Pense em como uma colher dentro de um copo cheio de água parece quebrada no ponto onde a água e o ar se encontram, "Abouraddy diz." A velocidade da luz no ar é diferente da velocidade da luz na água. E entao, os raios de luz acabam se curvando depois de cruzarem a superfície entre o ar e a água, e então, aparentemente, a colher parece torta. Este é um fenômeno conhecido descrito pela Lei de Snell. "

Embora a Lei de Snell ainda se aplique, a mudança subjacente na velocidade dos pulsos não é mais aplicável para os novos feixes de laser, Abouraddy diz. Essas habilidades são contrárias ao Princípio de Fermat, que diz que a luz sempre viaja de tal forma que toma o caminho mais curto, ele diz.

"O que encontramos aqui, no entanto, não importa quão diferentes sejam os materiais pelos quais a luz passa, sempre existe um de nossos pacotes de onda do espaço-tempo que poderia cruzar a interface dos dois materiais sem alterar sua velocidade, "Abouraddy diz." Então, não importa quais são as propriedades do meio, ele irá percorrer a interface e continuar como se não estivesse lá. "

Para comunicação, isso significa que a velocidade de uma mensagem que viaja nesses pacotes não é mais afetada por viajar através de materiais diferentes de densidades diferentes.

"Se você pensar em um avião tentando se comunicar com dois submarinos na mesma profundidade, mas um está longe e o outro perto, aquele que está mais longe terá um atraso maior do que aquele que está perto, "Abouraddy diz." Descobrimos que podemos fazer com que nossos pulsos se propaguem de forma que cheguem aos dois submarinos ao mesmo tempo. Na verdade, agora a pessoa que envia o pulso nem precisa saber onde está o submarino, contanto que estejam na mesma profundidade. Todos esses submarinos receberão o pulso ao mesmo tempo, para que você possa sincronizá-los às cegas, sem saber onde estão. "

A equipe de pesquisa de Abouraddy criou os pacotes de ondas do espaço-tempo usando um dispositivo conhecido como modulador de luz espacial para reorganizar a energia de um pulso de luz de modo que suas propriedades no espaço e no tempo não sejam mais separadas. Isso permite que eles controlem a "velocidade do grupo" do pulso de luz, que é aproximadamente a velocidade na qual o pico do pulso viaja.

Trabalhos anteriores mostraram a capacidade da equipe de controlar a velocidade do grupo dos pacotes de ondas do espaço-tempo, inclusive em materiais ópticos. O estudo atual se baseou nesse trabalho descobrindo que eles também podiam controlar a velocidade dos pacotes de ondas do espaço-tempo por meio de diferentes mídias. Isso não contradiz a relatividade especial de forma alguma, porque se aplica à propagação do pico de pulso, e não às oscilações subjacentes da onda de luz.

“Este novo campo que estamos desenvolvendo é um novo conceito para feixes de luz, "Abouraddy diz." Como resultado, tudo o que examinamos ao usar esses feixes revela um novo comportamento. Todo o comportamento que conhecemos sobre a luz realmente assume tacitamente uma suposição subjacente de que suas propriedades no espaço e no tempo são separáveis. Então, tudo o que sabemos em óptica é baseado nisso. É uma suposição embutida. É considerado o estado natural das coisas. Mas agora, quebrando essa suposição subjacente, estamos começando a ver um novo comportamento em todo o lugar. "

Os co-autores do estudo foram Basanta Bhaduri, autor principal e ex-cientista pesquisador da Faculdade de Óptica e Fotônica da UCF, agora com Bruker Nano Surfaces na Califórnia, e Murat Yessenov, candidato ao doutorado na faculdade.

Bhaduri se interessou pela pesquisa de Abouraddy depois de ler sobre ela em jornais, tal como Optics Express e Nature Photonics , e se juntou à equipe de pesquisa do professor em 2018. Para o estudo, ele ajudou a desenvolver o conceito e projetou os experimentos, bem como medidas realizadas e dados analisados.

Ele diz que os resultados do estudo são importantes de várias maneiras, incluindo os novos caminhos de pesquisa que ele abre.

"A refração espaço-tempo desafia nossas expectativas derivadas do princípio de Fermat e oferece novas oportunidades para moldar o fluxo de luz e outros fenômenos de onda, "Bhaduri diz.

As funções de Yessenov incluíam análise de dados, derivações e simulações. Ele diz que se interessou pelo trabalho por querer explorar mais sobre o emaranhamento, que em sistemas quânticos é quando dois objetos bem separados ainda têm uma relação um com o outro.

"Acreditamos que os pacotes de ondas do espaço-tempo têm mais a oferecer e muitos efeitos mais interessantes podem ser revelados com eles, "Yessenov diz.

Abouraddy diz que os próximos passos da pesquisa incluem estudar a interação desses novos feixes de laser com dispositivos como cavidades de laser e fibras ópticas, além de aplicar esses novos insights à matéria, em vez de às ondas de luz.