Uma equipe de pesquisa desenvolveu uma nova técnica que permite o controle espaço-temporal preciso das ondas terahertz à medida que passam por materiais desordenados.



O método, publicado na ACS Photonics , poderia levar a avanços em imagens médicas, comunicações e outras aplicações que dependem de pulsos de terahertz de banda larga. A pesquisa foi realizada como parte do projeto TIMING do ERC da União Europeia, e a equipe incluiu membros do Centro de Pesquisa Fotônica Emergente de Loughborough em colaboração com o Prof Jacopo Bertolotti da Universidade de Exeter.

No domínio da óptica, a visão tradicional há muito vê os sistemas desordenados – como olhar através de um vidro fosco – como um limite à clareza. Tal como o nevoeiro, uma distribuição desordenada de partículas de água, dispersa a luz e turva a nossa visão, estes materiais dispersam a luz de formas imprevisíveis. Mas este novo estudo mostra que podemos aproveitar esta dispersão a nosso favor.

Uma abordagem mais moderna que retrata esses objetos como “mídia complexa” revela uma narrativa surpreendentemente diferente. A chave reside na compreensão de que, embora a informação esteja de facto embaralhada nestes sistemas, ela não está irremediavelmente perdida e que esta confusão pode ser usada para manipular a própria luz.

Ondas Terahertz são uma forma de radiação eletromagnética de comprimento de onda situado entre as microondas e a luz infravermelha. Eles representam a ponte entre a eletrônica e a fotônica, o que os torna extremamente difíceis de gerar, detectar e manipular. No entanto, são altamente procurados e únicos, pois as ondas terahertz podem penetrar materiais como roupas, papel e plástico, oferecendo imagens nítidas sem os danos ionizantes dos raios X, e podem transportar links de comunicação de desempenho excepcionalmente alto.

No entanto, as ondas terahertz tornam-se distorcidas à medida que se propagam através de estruturas complexas, como alguns tecidos biológicos ou estruturas tecnológicas. Na verdade, a imagem através de meios complexos é um desafio, mas também uma oportunidade.

Neste estudo, os pesquisadores usaram um tipo especial de laser ultrarrápido, conhecido por seus pulsos extremamente curtos, para criar padrões de pulsos de terahertz (com duração de alguns picossegundos).

À medida que esses padrões interagiam com material de dispersão complexo, os investigadores manipularam a iluminação do laser empregando um algoritmo genético especialmente concebido que imita o processo de evolução natural para resolver problemas complexos.

Como resultado, eles ganharam controle sobre a forma como as ondas terahertz se distribuem no espaço e evoluem no tempo após o material. De certa forma, esse nível de controle recompõe pedaços da onda embaralhados pelo espalhamento, em uma nova forma com padrões e cores desejados.

“É notável que meios complexos operem como dispositivos sofisticados que manipulam ondas terahertz de maneiras fora do alcance da técnica, e ainda assim são na verdade conjuntos aleatórios de partículas muito acessíveis”, disse o Dr. Vittorio Cecconi, pesquisador principal do estudo. Ele continua:"Isso abre novas possibilidades para a exploração de ondas terahertz em aplicações de imagem e detecção onde a dispersão é um problema."

Embora esta abordagem tenha ramificações multidisciplinares, em terahertz, ela é possibilitada pela disponibilidade de métodos para medir a evolução do campo elétrico terahertz ao longo do tempo, de maneiras que se assemelham à função de um osciloscópio. No entanto, em fotônica, isso é muito incomum, pois o campo elétrico (a quantidade que oscila nas ondas eletromagnéticas) geralmente não é mensurável para a luz, onde a quantidade comumente acessada através do fotodetector é a intensidade.

Essa diferença específica permite que uma metodologia conhecida como design Nonlinear Ghost Imaging obtenha informações espaço-temporais sobre as ondas e a maneira como elas interagem com materiais ópticos.

"A sinergia entre Nonlinear Ghost Imaging e mídias complexas possibilitou esta pesquisa e desbloqueou várias aplicações avançadas em potencial, como a computação terahertz", disse o Dr. Cecconi.

Prof Peccianti, diretor do Centro e Investigador Principal do projeto ERC TIMING, enfatizou a missão do Centro, afirmando:"No Emergent Photonics Research Center, nosso espírito central é explorar a interseção entre a fotônica ultrarrápida e a complexidade. Aqui, a luz transcende seu papel tradicional como mera iluminação, evoluindo para uma ferramenta poderosa capaz de capturar e processar instantaneamente uma vasta quantidade de informações - marcando o caminho de uma nova inovação tecnológica."

Mais informações: Vittorio Cecconi et al, Terahertz Spatiotemporal Wave Synthesis in Random Systems, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671
Fornecido pela Universidade de Loughborough