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Apr 07, 2023

Cientistas dobraram feixes de laser para criar esta imagem detalhada de um gato

Jennifer Ouellette - 15 de agosto de 2022 20:41 UTC Todo dono de gato sabe

Jennifer Ouellette - 15 de agosto de 2022 20h41 UTC

Todo dono de gato sabe como seus companheiros felinos se deliciam em perseguir um minúsculo ponto de luz de um simples apontador laser. Agora, os físicos brasileiros descobriram como capturar e dobrar a luz do laser em formas intrincadas, produzindo a impressionante imagem fotorrealista de um gato retratado acima. Entre outras aplicações potenciais, seu método – descrito em um artigo recente publicado no arXiv de física – pode ser útil para construir melhores armadilhas ópticas para criar nuvens de átomos ultrafrios para uma variedade de experimentos quânticos.

A capacidade de produzir e controlar com precisão a forma de feixes de laser com alta fidelidade é vital para muitos segmentos da pesquisa e da indústria, segundo os coautores Pedro Silva e Sergio Muniz, da Universidade de São Paulo. Eles agrupam a maioria das abordagens de engenharia de frente de onda em duas categorias básicas.

O primeiro inclui abordagens como microespelhos digitais (DMDs) e moduladores ópticos acústicos (AOMs), que são fáceis de implementar e possuem uma resposta rápida para controle de feedback quase em tempo real. Mas eles têm uma capacidade limitada de controlar a fase do campo de luz e não podem criar certos tipos de luz estruturada. Eles também são propensos a manchas, difração ou outras distorções.

O segundo grupo inclui a holografia e vários métodos controlados por fase, que podem criar luz estruturada por fase e feixes vetoriais. A desvantagem são as velocidades de controle mais lentas e a falta de feedback em tempo real. Silva e Muniz queriam criar uma abordagem de controle de fase que implementasse alguns dos recursos desejáveis ​​de DMDs e AOMs – notadamente mapeamento pixel a pixel, codificação simples de padrões de luz, feedback mais rápido e controle mais preciso.

Essencialmente, eles aprimoraram um método anterior proposto em 2007 para obter resultados mais nítidos e suaves. Eles polarizaram um laser de diodo para corresponder à orientação de um cristal líquido servindo ao propósito de um modulador de luz espacial. Eles poderiam organizar os cristais com campos eletromagnéticos para criar uma série de prismas. A programação do modulador permitiu a Silva e Muniz usar esses prismas para criar várias formas geométricas arbitrárias – e a imagem totalmente detalhada de um gato.

“Mostramos resultados experimentais demonstrando que não apenas formas geométricas simples e planas podem ser criadas usando o método descrito, mas também imagens complexas e ricas em recursos com distribuições de intensidade detalhadas”, escreveram os autores. E seu método pode ser aplicado para modelar feixes de lasers pulsados ​​de alta potência ou mesmo lasers ultrarrápidos.

Aplicações úteis incluem padronização óptica e litografia, bem como captura óptica de átomos ultrafrios para criar sistemas como condensados ​​de Bose-Einstein (BECs), que são ideais para simular efeitos quânticos. Por exemplo, um BEC pode "amplificar" átomos da mesma forma que os lasers amplificam os fótons, permitindo aos cientistas estudar o estranho e pequeno mundo da física quântica como se estivessem olhando para ele através de uma lupa. Os físicos até conseguiram amarrar "nós quânticos" em BECs e fazer filmes de como os nós decaem, ou "desataram" a si mesmos, logo após a formação antes de se transformar em um vórtice.

Mas estes são sistemas quânticos frágeis e devem ser manipulados com cuidado. Uma armadilha óptica deve, portanto, ser muito suave e precisa, pois qualquer imperfeição tiraria os átomos de seu estado quântico.

"Honestamente, não tenho boas ideias de coisas que você poderia fazer com átomos ultrafrios ou qualquer coisa usando a imagem de um gato, mas é uma espécie de proxy para mostrar que você pode fazer recursos muito finos e precisos", Muniz disse New Scientist. “Podemos fazer essas imagens bonitas de gatos, mas também podemos usar esse sistema para fazer simulações quânticas de elétrons e supercondutividade [usando átomos ultrafrios presos]”.

DOI: arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2204.09724 (Sobre os DOIs).

Imagem do anúncio por PF Silva & SR Muniz, 2022