Os pesquisadores construíram uma “armadilha de luz” em torno de uma fina camada usando espelhos e lentes, na qual o feixe de luz é direcionado em círculo e depois se sobrepõe a si mesmo – exatamente de forma que o feixe de luz se bloqueie e não possa mais sair do sistema.
Foi desenvolvida uma “armadilha de luz” na qual um feixe de luz se impede de escapar. Isso permite que a luz seja absorvida perfeitamente.
Se você deseja usar a luz de forma eficiente, deve absorvê-la o mais completamente possível. Isso é verdade tanto em fotossíntese e em um sistema fotovoltaico. No entanto, isso é difícil se a absorção ocorrer em uma fina camada de material que normalmente deixa passar grande parte da luz.
Agora, descobriram um truque surpreendente que permite que um feixe de luz seja completamente absorvido mesmo nas camadas mais finas. Eles construíram uma “armadilha de luz” ao redor da fina camada usando espelhos e lentes, na qual o feixe de luz é direcionado em círculo e depois se sobrepõe a si mesmo – exatamente de forma que o feixe de luz se bloqueie e não possa mais sair do sistema. Assim, a luz não tem outra opção senão ser absorvida pela fina camada – não há outra saída.
Este método de amplificação de absorção, de equipes de pesquisa da TU Wien e da Universidade Hebraica de Jerusalém, será apresentado hoje (25 de agosto de 2022) na revista científica Ciência. É o resultado de uma colaboração frutífera entre as duas equipes. A abordagem foi sugerida pelo Prof. Ori Katz da Universidade Hebraica de Jerusalém e conceituada com o Prof. Stefan Rotter da TU Wien. O experimento foi realizado pela equipe do laboratório em Jerusalém e os cálculos teóricos vieram da equipe de Viena.
A configuração da “armadilha de luz” é mostrada, composta por um espelho parcialmente transparente, um absorvedor fino e fraco, duas lentes convergentes e um espelho totalmente refletor. Normalmente, a maior parte do feixe de luz incidente seria refletida. No entanto, devido aos efeitos de interferência calculados com precisão, o feixe de luz incidente interfere no feixe de luz refletido de volta entre os espelhos, de modo que o feixe de luz refletido é completamente extinto. A energia da luz é completamente sugada pelo absorvedor fino e fraco. Crédito: TU Viena
Camadas finas são transparentes à luz
“A absorção da luz é fácil quando ela atinge um objeto sólido”, diz o Prof. Stefan Rotter do Instituto de Física Teórica da TU Wien. “Um suéter grosso de lã preta pode absorver facilmente a luz. Mas em muitas aplicações técnicas, você tem apenas uma fina camada de material disponível e deseja que a luz seja absorvida exatamente nessa camada.”
Já foram feitas tentativas para melhorar a absorção de materiais. Por exemplo, o material pode ser colocado entre dois espelhos. A luz é refletida para frente e para trás entre os dois espelhos, passando pelo material a cada vez e, assim, tendo uma chance maior de ser absorvida. No entanto, para isso, os espelhos não devem ser perfeitos – um deles deve ser parcialmente transparente, caso contrário, a luz não pode penetrar na área entre os dois espelhos. Mas isso também significa que sempre que a luz atinge esse espelho parcialmente transparente, parte da luz é perdida.
A luz se bloqueia
É possível usar as propriedades ondulatórias da luz de maneira sofisticada para evitar isso. “Em nossa abordagem, somos capazes de cancelar todos os reflexos por interferência de ondas”, diz o Prof. Ori Katz da Universidade Hebraica de Jerusalém. Helmut Hörner, da TU Wien, que dedicou sua tese a esse tópico, explica: “Também em nosso método, a luz incide primeiro em um espelho parcialmente transparente. Se você simplesmente enviar um feixe de laser para este espelho, ele é dividido em duas partes: a parte maior é refletida, a parte menor penetra no espelho.”
Essa parte do feixe de luz que penetra no espelho é agora enviada através da camada de material absorvente e depois retornada ao espelho parcialmente transparente com lentes e outro espelho. “O crucial é que o comprimento desse caminho e a posição dos elementos ópticos sejam ajustados de tal forma que o feixe de luz de retorno (e suas múltiplas reflexões entre os espelhos) cancela exatamente o feixe de luz refletido diretamente no primeiro espelho. ”, dizem Yevgeny Slobodkin e Gil Weinberg, os estudantes de pós-graduação que construíram o sistema em Jerusalém.
Os dois feixes parciais se sobrepõem de tal forma que a luz se bloqueia, por assim dizer. Embora o espelho parcialmente transparente por si só reflita uma grande parte da luz, essa reflexão é impossibilitada pela outra parte do feixe que percorre o sistema antes de retornar ao espelho parcialmente transparente.
Assim, o espelho, que antes era parcialmente transparente, agora se torna totalmente transparente para o raio laser incidente. Isso cria essencialmente uma via de mão única para a luz: o feixe de luz pode entrar no sistema, mas não pode mais escapar devido à superposição da porção refletida e da porção guiada pelo sistema em um círculo. Portanto, a luz não tem escolha a não ser ser absorvida – todo o feixe de laser é engolido por uma fina camada que, de outra forma, permitiria que a maior parte do feixe passasse.
Um fenômeno robusto
“O sistema deve ser ajustado exatamente para o comprimento de onda que você deseja absorver”, diz Stefan Rotter. “Mas, além disso, não há requisitos limitantes. O feixe de laser não precisa ter uma forma específica, pode ser mais intenso em alguns lugares do que em outros – a absorção quase perfeita é sempre alcançada.”
Nem mesmo a turbulência do ar e as flutuações de temperatura podem prejudicar o mecanismo, como foi demonstrado em experimentos realizados na Universidade Hebraica de Jerusalém. Isso prova que é um efeito robusto que promete uma ampla gama de aplicações – por exemplo, o mecanismo apresentado pode até ser adequado para capturar perfeitamente sinais de luz distorcidos durante a transmissão pela atmosfera terrestre. A nova abordagem também pode ser de grande utilidade prática para alimentar de forma otimizada as ondas de luz de fontes de luz fracas (como estrelas distantes) em um detector.
Referência: “Absorvedor perfeito coerente massivamente degenerado para frentes de onda arbitrárias” 25 de agosto de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abq8103
