Orientar e capturar ondas ópticas de forma confiável é fundamental para o funcionamento de várias tecnologias contemporâneas, incluindo sistemas de comunicação e processamento de informação. A abordagem mais convencional para guiar ondas de luz aproveita a reflexão interna total de fibras ópticas e outras estruturas semelhantes, mas recentemente os físicos têm explorado o potencial de técnicas baseadas em outros mecanismos físicos.



Pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia desenvolveram recentemente uma abordagem altamente inovadora para capturar luz. Este método, introduzido em Nature Physics , explora as propriedades exóticas dos pontos de Lagrange, os mesmos pontos de equilíbrio que governam as órbitas dos corpos celestes primordiais, como os chamados asteróides troianos no sistema Sol-Júpiter.

"A descoberta dos pontos de Lagrange, que é fundamental nesta pesquisa, remonta aos primeiros trabalhos de Leonhard Euler e Joseph-Louis Lagrange, que descobriram que nestes locais, a atração gravitacional exercida por dois grandes corpos pode ser precisamente contrabalançado por forças centrífugas", disseram Mercedeh Khajavikhan e Demetrios N. Christodoulides, co-autores do artigo, ao Phys.org.

"Embora alguns desses pontos, notadamente e, já sejam empregados como posições estratégicas no espaço para a estabilidade do satélite com consumo mínimo de propelente (como exemplificado pelo telescópio James Webb e pelo satélite Aditya L1 recentemente implantado), nosso estudo se concentra nas propriedades intrigantes do e pontos de Lagrange."

Os asteróides troianos são um grande grupo de asteróides que orbitam o Sol na mesma órbita do planeta Júpiter. Os pontos de Lagrange, batizados em homenagem ao renomado matemático Lagrange que os descobriu, são posições no espaço nas quais a força gravitacional de dois corpos no mesmo sistema (por exemplo, o Sol e Júpiter) produz regiões aprimoradas de atração e repulsão.

Como parte do seu estudo, Khajavikhan e Christodoulides decidiram investigar o potencial da utilização da física única destas posições para guiar e capturar ondas de luz. Em seu artigo, os pesquisadores mostraram que o uso de pontos de Lagrange para aplicações ópticas, em alguns aspectos, se assemelha à captura de asteróides troianos na órbita Sol-Júpiter.

"O guia de ondas óptico de Lagrange é induzido pela passagem de corrente através de um fio helicoidal em um cilindro de óleo de silício curado", disseram Khajavikhan e Christodoulides.

"Por meio do efeito termo-óptico, isso, por sua vez, produz uma paisagem de índice distorcida onde, neste caso, a repulsão do fóton é equilibrada pela força centrífuga. Contra-intuitivamente, neste perfil de índice de encosta de montanha, um ponto de Lagrange estável é produzido e como resultado, um feixe óptico de Trojan fica preso de forma bidimensional nesta posição."

Como parte do seu estudo, Khajavikhan e Christodoulides criaram um sistema compacto no seu laboratório que reproduz as propriedades dos pontos de Lagrange, como os observados nas órbitas dos asteróides troianos. Seu sistema construído em laboratório era composto por um fio de ferro em formato helicoidal inserido em um meio com índice de refração dependente da temperatura.

Posteriormente, os pesquisadores puderam aquecer esse meio de forma não homogênea, passando eletricidade pelo fio. Em última análise, este processo permitiu a formação do que eles chamam de feixe óptico de Trojan.

Este experimento simples levou a observações muito interessantes. Curiosamente, os pesquisadores descobriram que os feixes ópticos de Trojan poderiam ser guiados ou capturados neste ambiente de índice de refração desfocado, algo que não é viável em circunstâncias normais.

"Mais importante ainda, o cenário do índice de refração onde esses feixes ópticos são capturados é completamente normal, não tendo nenhuma característica que possa prever uma resposta orientadora", disseram Khajavikhan e Christodoulides. "Em essência, o feixe óptico fica preso em lugar nenhum - em regiões completamente imperceptíveis onde não existem estruturas convencionais de guias de ondas."

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores mostra que as características únicas dos pontos de Lagrange podem ser aproveitadas para guiar e capturar ondas de luz. No futuro, poderá ocorrer o desenvolvimento de novas técnicas para guiar ondas ópticas em ambientes não convencionais quando as abordagens convencionais são ineficazes, como em líquidos e gases.

"Um caminho possível para uma exploração mais aprofundada poderia ser o uso de feixes de Tróia em sistemas de amplificação (laser), onde o ganho ou perda óptica pode estabelecer meios alternativos para atração ou repulsão de feixes em meios totalmente dielétricos", disseram Khajavikhan e Christodoulides.

Até agora, os investigadores concentraram-se apenas na utilização de pontos de Lagrange para guiar feixes de luz. No entanto, no futuro, a metodologia que desenvolveram também poderá ser testada em outras áreas da física, indo além da óptica, por exemplo, como uma técnica para guiar ondas acústicas ou átomos ultrafrios.

“Neste ponto, pretendemos explorar a possibilidade de guiar a luz em ondas acústicas em meios líquidos e gasosos”, acrescentaram Khajavikhan e Christodoulides. "Finalmente, seria interessante observar pela primeira vez a captura e transporte de micro e nanopartículas dielétricas em guias de onda de Lagrange usando feixes tratores ópticos onde múltiplos pontos de Lagrange podem ser induzidos - um aspecto que não é possível na mecânica celeste."

Mais informações: Haokun Luo et al, Guiding Trojan light beams via Lagrange points, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6
Informações do diário: Física da Natureza

© 2024 Science X Network