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May 19, 2023

Este espelho inverte como a luz viaja no tempo

A luz pode ser refletida em espelhos e sons em superfícies. No entanto, os cientistas têm

A luz pode ser refletida em espelhos e sons em superfícies. No entanto, os cientistas há muito teorizam sobre reflexões de tempo, onde um sinal passando por uma "interface" de tempo agiria como se estivesse viajando para trás no tempo. Agora, um novo estudo demonstra pela primeira vez reflexões de tempo com ondas de luz. Essa descoberta pode levar a maneiras novas e incomuns de controlar a luz, como cristais fotônicos de tempo, para possíveis aplicações em comunicações sem fio, tecnologias de radar e computação fotônica.

Uma reflexão padrão ocorre quando um sinal salta de um limite no espaço. Em contraste, as reflexões de tempo podem acontecer quando todo o meio no qual uma onda de luz ou som está viajando repentinamente e drasticamente muda suas propriedades ópticas ou sonoras.

Anteriormente, os pesquisadores não sabiam como alterar as propriedades ópticas de um material de maneira rápida, forte e uniforme o suficiente para criar uma interface de tempo fotônico que pudesse gerar reflexões de tempo para ondas eletromagnéticas. Agora, após seis décadas de pesquisa, os cientistas criaram a primeira interface de tempo para a luz.

Quando uma onda de luz entra na nova interface de tempo e o dispositivo muda suas propriedades ópticas, o sinal continua avançando no espaço. No entanto, o sinal é invertido - se fosse uma palavra falada, soaria como se estivesse sendo tocada ao contrário. Em contraste, com uma reflexão convencional, uma onda de luz ou som viajaria de volta à sua fonte, mas principalmente pareceria ou soaria da mesma forma que antes da reflexão.

Os cientistas realizaram reflexões de tempo fotônico usando um metamaterial – um tipo de estrutura projetada para possuir recursos geralmente não encontrados na natureza, como a capacidade de dobrar a luz de maneiras inesperadas. Esse trabalho levou a mantos de invisibilidade que podem esconder objetos da luz, som, calor e outros tipos de ondas.

Os metamateriais ópticos, projetados para manipular a luz, possuem estruturas com padrões repetidos em escalas menores que os comprimentos de onda da luz que eles influenciam. No novo estudo, os pesquisadores transmitiram sinais de rádio para uma faixa sinuosa de metal com cerca de 6 metros de comprimento. Uma matriz de 30 interruptores eletrônicos, cada um ligado a um capacitor, foi conectado a esta tira de metal.

Quando esses interruptores no novo dispositivo são acionados ao mesmo tempo, a impedância da tira dobra em cerca de 3 nanossegundos. Uma reflexão de tempo para a luz pode ocorrer se as propriedades ópticas de um material mudarem muito mais rapidamente do que as variações no tempo dos sinais envolvidos, diz o autor sênior do estudo, Andrea Alù, engenheiro elétrico do Centro de Pós-Graduação da Universidade da Cidade de Nova York.

Além disso, as novas interfaces de tempo podem esticar ou comprimir os sinais de luz no tempo. Isso pode, por sua vez, mudar abruptamente a cor desses sinais, observa Alù.

Os cientistas também mostraram que podem combinar várias interfaces de tempo. Na "laje temporal" resultante, eles poderiam fazer os sinais interferirem uns nos outros. Este novo dispositivo é uma versão temporal dos filtros comuns de Fabry-Pérot amplamente utilizados em telecomunicações, lasers e outras aplicações para controlar a luz.

Os pesquisadores sugerem que as interfaces de tempo podem ser usadas em comunicações sem fio, tecnologias de radar e computação óptica. Esses aplicativos geralmente invertem a ordem dos sinais para ajudar a processá-los. Atualmente, a forma mais comum de realizar essa reversão de tempo é por meios digitais, mas isso resulta em demandas de tempo, energia e memória. Em contraste, as interfaces de tempo podem permitir a reversão do tempo muito rapidamente e com pouca energia, diz Alù.

Além disso, as novas interfaces de tempo podem ajudar os cientistas a desenvolver novas formas exóticas de controlar a luz, como "cristais fotônicos de tempo". Um cristal normal é uma estrutura de muitos átomos dispostos em um padrão regular no espaço, enquanto um cristal fotônico convencional possui características menores do que os comprimentos de onda da luz com os quais foi projetado para lidar. Anteriormente, os pesquisadores também desenvolveram cristais de tempo, nos quais muitas partículas são ordenadas em séries regulares de movimentos – padrões no tempo e não no espaço. Recentemente, os cientistas desenvolveram cristais fotônicos de tempo, nos quais as propriedades ópticas variam regularmente ao longo do tempo.