Os cientistas inspiraram-se na forma como a luz solar atravessa as nuvens para descobrir uma forma inteiramente nova de controlar e orientar a luz.
A investigação inovadora, liderada por físicos da Universidade de Glasgow, permite que as ondas de luz sejam guiadas por caminhos curvos escavados através de materiais opacos que normalmente as espalhariam em todas as direcções.
Poderia encontrar aplicações em gerações futuras de tecnologia de imagens médicas, proporcionando novas maneiras para os médicos observarem o interior do corpo humano.
Também poderia ser adaptado para guiar o calor em vez da luz, abrindo novas aplicações na gestão térmica para sistemas de computação, e para confinar partículas como neutrões em vez de ondas de luz, que poderiam ser utilizadas em tecnologias nucleares.
O efeito de “guia de ondas” que a equipe descobriu é análogo ao cabo de fibra óptica, que transporta luz através de seu núcleo usando um processo chamado reflexão interna total. Na fibra óptica, o núcleo é cercado por um material de revestimento com índice de refração mais baixo, que mantém a luz refletida ao longo do comprimento do núcleo, permitindo que ela percorra longas distâncias com perdas mínimas.
O novo mecanismo de guia de ondas dos pesquisadores depende, em vez disso, de um processo físico muito diferente. Em vez disso, a luz é transportada através de um núcleo sólido de material de dispersão fraca, que por sua vez é envolto em um material que se dispersa com muito mais força. O contraste entre as propriedades de dispersão dos materiais confina a luz ao núcleo e permite que ela seja guiada com uma precisão inesperadamente elevada.
A pesquisa, apresentada em um novo artigo publicado em Física da Naturezafoi desencadeado por discussões de laboratório sobre nuvens, diz a autora correspondente do artigo, professora Daniele Faccio.
O professor Faccio, que lidera o grupo de pesquisa Extreme Light da Universidade de Glasgow, disse: “As altas nuvens cúmulos são frequentemente brancas brilhantes em seu ponto mais alto e cinza escuro em seu ponto mais baixo porque a luz solar é espalhada através das incontáveis gotas de água que estão contidas no interior da nuvem. A luz decai exponencialmente à medida que se espalha pela nuvem, tornando a parte inferior mais escura, e é refletida na parte superior, o que a torna branca.
“Começamos a nos perguntar se seria possível aproveitar esse efeito de dispersão de uma forma controlada e usá-lo para criar um caminho para guiar a luz através dos materiais espalhadores.”
A equipe usou uma impressora 3D para fazer estruturas de resina branca opaca de alta dispersão com um núcleo de baixa dispersão e começou a experimentar guiar a luz através das estruturas.
Eles descobriram que era possível transmitir mais de 100 vezes mais luz através do núcleo de baixa dispersão do que em estruturas sem ele. Eles exibiram o fenômeno com estruturas retas e curvas que exibem o efeito.
A equipe também desenvolveu um modelo matemático abrangente para explicar os processos físicos de difusão que sustentam seus resultados. Notavelmente, o modelo é muito semelhante às equações que explicam o transporte de calor através de materiais sólidos. Devido a este cruzamento, os investigadores esperam que a sua nova técnica possa ter uma utilização mais ampla para além da luz.
O professor Faccio, da Escola de Física e Astronomia da Universidade, acrescentou:”É notável que mesmo em campos bem estabelecidos como a óptica, há sempre espaço para novas descobertas fundamentais. Quando começámos a pensar em nuvens, não esperávamos necessariamente descobrir um método inteiramente novo de guiamento de ondas, mas foi para lá que as nossas experiências nos levaram.
“Ainda estamos aprendendo novos truques sobre a luz, neste caso através de um processo que ficamos surpresos ao descobrir que tem mais em comum com a nossa compreensão da forma como o calor viaja do que a luz.
“Isso significa que podemos esperar usar esta técnica para encontrar novas maneiras de ver o interior do tecido biológico opaco usando luz, mas também que podemos aplicá-la para guiar mais do que apenas fótons. Poderíamos criar novas maneiras de transportar calor através de sistemas que precisam para serem resfriados, como computadores de data centers, ou para transportar partículas como nêutrons, o que poderia abrir novas aplicações para usinas nucleares, por exemplo.”
Dr. Kevin Mitchell, membro do grupo de pesquisa Extreme Light e principal autor do artigo, disse:”A força deste artigo vem da abordagem abrangente que adotamos para explorar a possibilidade de uma abordagem inteiramente nova para guiar a luz. Começamos com uma questão-chave, demonstrá-la experimentalmente e depois comprová-la matematicamente com verdadeiro rigor. Agora que construímos uma base prática e teórica sólida, continuaremos a explorar como podemos encontrar novas maneiras de usar isso no futuro.”
O professor Ewan Wright, da Universidade do Arizona, também contribuiu para a pesquisa. O artigo da equipe, intitulado ‘Transporte de energia em guias de onda difusivos’, é publicado em Física da Natureza.
