Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que podem aumentar radicalmente a quantidade de dados que transportam. Eles demonstraram a emissão de feixes de laser de torção discreta a partir de antenas compostas por anéis concêntricos aproximadamente iguais ao diâmetro de um fio de cabelo humano, pequeno o suficiente para ser colocado em chips de computador.

O novo trabalho, relatado em um artigo publicado na quinta-feira, 25 de fevereiro, no jornal Física da Natureza , expõe amplamente a quantidade de informações que podem ser multiplexadas, ou transmitido simultaneamente, por uma fonte de luz coerente. Um exemplo comum de multiplexação é a transmissão de várias chamadas telefônicas em um único fio, mas havia limites fundamentais para o número de ondas de luz torcidas coerentes que podiam ser multiplexadas diretamente.

"É a primeira vez que os lasers que produzem luz torcida foram multiplexados diretamente, "disse o investigador principal do estudo, Boubacar Kanté, o Professor Associado Chenming Hu no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da UC Berkeley. "Temos vivenciado uma explosão de dados em nosso mundo, e os canais de comunicação que temos agora serão insuficientes para o que precisamos. A tecnologia que estamos relatando supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. É uma virada de jogo com aplicações em imagens biológicas, criptografia quântica, comunicações e sensores de alta capacidade. "

Kanté, que também é cientista docente da Divisão de Ciências de Materiais do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), tem continuado este trabalho na UC Berkeley após ter iniciado a pesquisa na UC San Diego. O primeiro autor do estudo é Babak Bahari, um ex-Ph.D. aluno do laboratório de Kanté.

Kanté disse que os métodos atuais de transmissão de sinais por ondas eletromagnéticas estão chegando ao limite. Frequência, por exemplo, ficou saturado, é por isso que há tantas estações que podem ser sintonizadas no rádio. Polarização, onde as ondas de luz são separadas em dois valores - horizontal ou vertical - pode dobrar a quantidade de informações transmitidas. Os cineastas tiram vantagem disso ao criar filmes 3-D, permitindo que os espectadores com óculos especializados recebam dois conjuntos de sinais - um para cada olho - para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade.

Aproveitando o potencial em um vórtice

Mas além da frequência e polarização está o momento angular orbital, ou OAM, uma propriedade da luz que atraiu a atenção dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre o OAM é compará-lo ao vórtice de um tornado.

"O vórtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, posso, em princípio, suportam uma quantidade ilimitada de dados, "disse Kanté." O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir de forma confiável o número infinito de feixes OAM. Ninguém jamais produziu feixes OAM de cargas tão altas em um dispositivo tão compacto antes. "

Os pesquisadores começaram com uma antena, um dos componentes mais importantes do eletromagnetismo e, eles notaram, central para as tecnologias 5G em andamento e 6G futuras. As antenas neste estudo são topológicas, o que significa que suas propriedades essenciais são mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Criando anéis de luz

Para fazer a antena topológica, os pesquisadores usaram litografia de feixe de elétrons para gravar um padrão de grade em fosforeto de arseneto de gálio e índio, um material semicondutor, e então colou a estrutura em uma superfície feita de granada de ítrio e ferro. Os pesquisadores projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos - o maior com cerca de 50 mícrons de diâmetro - para capturar os fótons. O projeto criou condições para suportar um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento dos fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

"As pessoas pensaram que o efeito Hall quântico com um campo magnético poderia ser usado na eletrônica, mas não na óptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequências ópticas, "disse Kanté." Somos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quântico funciona para a luz. "

Ao aplicar um campo magnético perpendicular à sua microestrutura bidimensional, os pesquisadores geraram com sucesso três feixes de laser OAM viajando em órbitas circulares acima da superfície. O estudo mostrou ainda que os feixes de laser tinham números quânticos tão grandes quanto 276, referindo-se ao número de vezes que a luz gira em torno de seu eixo em um comprimento de onda.

"Ter um número quântico maior é como ter mais letras para usar no alfabeto, "disse Kanté." Estamos permitindo que a luz expanda seu vocabulário. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicações, mas em principio, pode ser adaptado a outras bandas de frequência. Mesmo que tenhamos criado três lasers, multiplicando a taxa de dados por três, não há limite para o número possível de feixes e capacidade de dados. "

Kanté disse que o próximo passo em seu laboratório é fazer anéis Hall quânticos que usam eletricidade como fonte de energia.