Pesquisadores de física da University of Bath, no Reino Unido, descobrem um novo efeito físico relacionado às interações entre a luz e os materiais torcidos - um efeito que provavelmente terá implicações para o surgimento de novas nanotecnologias nas comunicações, nanorobótica e componentes ópticos ultrafinos.

Nos séculos 17 e 18, o mestre artesão italiano Antonio Stradivari produziu instrumentos musicais de qualidade lendária, e os mais famosos são seus (chamados) violinos Stradivarius. O que torna a produção musical desses instrumentos musicais bela e única é seu timbre particular, também conhecido como cor de tom ou qualidade de tom. Todos os instrumentos têm um timbre - quando uma nota musical (som com frequência fs) é tocada, o instrumento cria harmônicos (frequências que são um múltiplo inteiro da frequência inicial, ou seja, 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, etc.).

De forma similar, quando a luz de uma certa cor (com frequência fc) brilha nos materiais, esses materiais podem produzir harmônicos (frequências de luz 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, etc.). Os harmônicos da luz revelam propriedades intrincadas de materiais que encontram aplicações em imagens médicas, comunicações e tecnologia laser.

Por exemplo, praticamente todo apontador laser verde é, na verdade, um apontador laser infravermelho cuja luz é invisível aos olhos humanos. A luz verde que vemos é na verdade o segundo harmônico (2fc) do apontador laser infravermelho e é produzida por um cristal especial dentro do apontador.

Em instrumentos musicais e materiais brilhantes, algumas frequências são 'proibidas' - isto é, eles não podem ser ouvidos ou vistos porque o instrumento ou material os cancela ativamente. Porque o clarinete tem uma reta, forma cilíndrica, suprime todos os harmônicos pares (2 fs, 4fs, 6fs, etc.) e produz apenas harmônicos ímpares (3 fs, 5fs, 7fs, etc.). Por contraste, um saxofone tem uma forma cônica e curva que permite todos os harmônicos e resulta em um mais rico, som mais suave. De forma semelhante, quando um tipo específico de luz (circularmente polarizada) brilha em nanopartículas de metal dispersas em um líquido, os estranhos harmônicos da luz não podem se propagar ao longo da direção da viagem da luz e as cores correspondentes são proibidas.

Agora, uma equipe internacional de cientistas liderada por pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Bath encontrou uma maneira de revelar as cores proibidas, equivalente à descoberta de um novo efeito físico. Para alcançar este resultado, eles 'curvaram' seu equipamento experimental.

Professor Ventsislav Valev, quem liderou a pesquisa, disse:"A ideia de que a torção de nanopartículas ou moléculas poderia ser revelada por meio de harmônicos de luz foi formulada pela primeira vez há 42 anos, por um jovem Ph.D. aluno - David Andrews. David achou que sua teoria era muito evasiva para ser validada experimentalmente, mas, dois anos atrás, demonstramos esse fenômeno. Agora, descobrimos que a torção das nanopartículas também pode ser observada nos estranhos harmônicos da luz. É especialmente gratificante que a teoria relevante tenha sido fornecida por ninguém menos que nosso co-autor e hoje professor bem estabelecido - David Andrews!

"Para fazer uma analogia musical, até agora, cientistas que estudam moléculas torcidas (DNA, aminoácidos, proteínas, açúcares, etc) e nanopartículas na água - o elemento da vida - iluminaram-nas em uma determinada frequência e observaram essa mesma frequência ou seu ruído (sobretons parciais inarmônicos). Nosso estudo abre o estudo das assinaturas harmônicas dessas moléculas torcidas. Então, podemos apreciar seu 'timbre' pela primeira vez.

“Do ponto de vista prático, nossos resultados oferecem uma visão direta, método experimental amigável para alcançar uma compreensão sem precedentes das interações entre a luz e os materiais torcidos. Essas interações estão no cerne de novas nanotecnologias emergentes em comunicações, nanorobótica e componentes ópticos ultrafinos. Por exemplo, a 'torção' das nanopartículas pode determinar o valor dos bits de informação (para torção canhota ou destra). Também está presente nas hélices dos nanorrobôs e pode afetar a direção de propagação de um feixe de laser. Além disso, nosso método é aplicável em pequenos volumes de iluminação, adequado para a análise de produtos químicos naturais que são promissores para novos fármacos, mas onde o material disponível é muitas vezes escasso.

Ph.D. estudante Lukas Ohnoutek, também envolvido na pesquisa, disse:"Estivemos muito perto de perder esta descoberta. Nosso equipamento inicial não estava bem 'sintonizado' e, por isso, não víamos nada no terceiro harmônico. Eu estava começando a perder as esperanças, mas tivemos uma reunião, identificou possíveis problemas e os investigou sistematicamente até descobrirmos o problema. É maravilhoso experimentar o método científico em funcionamento, especialmente quando leva a uma descoberta científica! "

O professor Andrews acrescentou:“O professor Valev liderou uma equipe internacional para uma verdadeira inovação na fotônica aplicada. Quando ele convidou minha participação, isso me levou de volta ao trabalho teórico de meus estudos de doutorado. Tem sido incrível ver isso se concretizar tantos anos depois. "

A pesquisa está publicada na revista. Resenhas de laser e fotônica.