Acenda uma lanterna na água turva de um lago e o feixe não penetrará muito longe. A absorção e a dispersão diminuem rapidamente a intensidade do feixe de luz, que perde uma porcentagem fixa de energia por unidade de distância percorrida. Esse declínio - conhecido como decaimento exponencial - vale para a luz que viaja através de qualquer fluido ou sólido que absorva e dispersa prontamente energia eletromagnética.
Mas não foi isso que pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram quando estudaram um sistema de dispersão de luz em miniatura – uma camada ultrafina de nitreto de silício fabricada no topo de um chip e gravada com uma série de sulcos periódicos espaçados. As ranhuras criam uma grade – um dispositivo que espalha diferentes cores de luz em diferentes ângulos – enquanto o nitreto de silício atua para confinar e guiar a luz recebida o mais longe possível ao longo do comprimento de 0,2 centímetro da grade.

A grade espalha a luz – a maior parte dela para cima, perpendicular ao dispositivo – como a água do lago. E na maioria de seus experimentos, os cientistas do NIST observaram exatamente isso. A intensidade da luz diminuiu exponencialmente e foi capaz de iluminar apenas as primeiras ranhuras da grade.

No entanto, quando a equipe do NIST ajustou a largura dos sulcos para que fossem quase iguais ao espaçamento entre eles, os cientistas descobriram algo surpreendente. Se eles escolhessem cuidadosamente um comprimento de onda específico de luz infravermelha, a intensidade dessa luz diminuía muito mais lentamente à medida que viajava ao longo da grade. A intensidade diminuiu linearmente com a distância percorrida em vez de exponencialmente.

Os cientistas ficaram igualmente intrigados com uma propriedade da luz infravermelha espalhada para cima a partir da grade. Sempre que a intensidade da luz ao longo da grade mudava de declínio exponencial para linear, a luz espalhada para cima formava um feixe largo que tinha a mesma intensidade por toda parte. Um amplo feixe de luz de intensidade uniforme é uma ferramenta altamente desejável para muitos experimentos envolvendo nuvens de átomos.

O engenheiro elétrico e de computação Sangsik Kim nunca tinha visto nada parecido. Quando ele observou pela primeira vez o comportamento estranho em simulações que ele realizou no NIST na primavera de 2017, ele e o cientista veterano do NIST Vladimir Aksyuk se preocuparam que ele tivesse cometido um erro. Mas duas semanas depois, Kim viu o mesmo efeito em experimentos de laboratório usando grades de difração reais.

Se o comprimento de onda mudasse ligeiramente ou o espaçamento entre as ranhuras mudasse apenas uma pequena quantidade, o sistema voltava ao decaimento exponencial.

A equipe do NIST levou vários anos para desenvolver uma teoria que pudesse explicar o estranho fenômeno. Os pesquisadores descobriram que ela tem suas raízes na complexa interação entre a estrutura da grade, a luz viajando para frente, a luz espalhada para trás pelas ranhuras da grade e a luz espalhada para cima. Em algum momento crítico, conhecido como o ponto excepcional, todos esses fatores conspiram para alterar drasticamente a perda de energia luminosa, mudando-a de decaimento exponencial para linear.

Os pesquisadores ficaram surpresos ao perceber que o fenômeno que observaram com a luz infravermelha é uma propriedade universal de qualquer tipo de onda que viaja através de uma estrutura periódica com perdas, sejam as ondas acústicas, de luz infravermelha ou de rádio.

A descoberta pode permitir que os pesquisadores transmitam feixes de luz de um dispositivo baseado em chip para outro sem perder tanta energia, o que pode ser um benefício para as comunicações ópticas. O feixe amplo e uniforme esculpido pelo ponto excepcional também é ideal para estudar uma nuvem de átomos. A luz induz os átomos a saltar de um nível de energia para outro; sua largura e intensidade uniforme permitem que o feixe interrogue os átomos em movimento rápido por um longo período de tempo. Medir com precisão a frequência da luz emitida à medida que os átomos fazem essas transições é um passo fundamental na construção de relógios atômicos altamente precisos e na criação de sistemas de navegação precisos baseados em vapores atômicos presos.

De maneira mais geral, disse Aksyuk, o feixe de luz uniforme torna possível integrar dispositivos fotônicos portáteis baseados em chips com experimentos ópticos em larga escala, reduzindo seu tamanho e complexidade. Uma vez que o feixe de luz uniforme sonda um vapor atômico, por exemplo, a informação pode ser enviada de volta ao chip fotônico e processada lá.

Ainda outra aplicação potencial é o monitoramento ambiental. Como a transformação de absorção exponencial para linear é repentina e extremamente sensível ao comprimento de onda da luz selecionada, ela pode formar a base de um detector de alta precisão de vestígios de poluentes. Se um poluente na superfície alterar o comprimento de onda da luz na grade, o ponto excepcional desaparecerá abruptamente e a intensidade da luz fará uma transição rápida de decaimento linear para exponencial, disse Aksyuk.

Os pesquisadores, incluindo Aksyuk e Kim, que agora está na Texas Tech University em Lubbock, relataram suas descobertas on-line na edição de 21 de abril da Nature Nanotechnology . + Explorar mais

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