Luz ilumina dualidade espaço-tempo criando imagem de si mesma

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/03/2025

Efeito Talbot

Uma equipe da Finl?ndia e da Fran?a demonstrou como a "autoimagem da luz", um fen?meno conhecido h? quase dois s?culos, pode ser aplicada a sistemas cil?ndricos, permitindo um controle sem precedentes dos feixes de luz em estruturas como as fibras ?pticas.

E, al?m de aplica??es imediatas em sistemas mais avan?ados de comunica??o ?ptica, o fen?meno exp?s um novo tipo de dualidade espa?o-tempo que poder? ser usada para unificar diferentes campos da ?ptica, fazendo as ferramentas de um funcionarem no outro.

Em 1836, o pioneiro da fotografia Henry Talbot observou padr?es de luz que reapareciam naturalmente ap?s alguma propaga??o, sem o uso de lentes ou qualquer outra ?ptica de imagem. Este ? o fen?meno da autoimagem da luz, tamb?m conhecido como efeito Talbot, que est? sendo usado na computa??o qu?ntica e nos rel?gios at?micos.

O Efeito Talbot ocorre quando a onda plana de uma fonte de luz coerente incide sobre uma estrutura peri?dica conhecida como grade de difra??o: Imagens dessa grade surgem a dist?ncias tamb?m peri?dicas, chamadas de dist?ncias de Talbot. As imagens repetidas s?o chamadas autoimagens ou imagens Talbot.

Jianqi Hu e seus colegas estavam interessados na chamada "escultura da luz", t?cnicas e procedimentos que tentam formatar o campo de luz para aplica??es que v?o das comunica??es em fibras ?pticas ?s pin?as de luz. E, dada a import?ncia das fibras ?pticas no campo da fot?nica, a equipe decidiu estudar as autoimagens em sistemas cil?ndricos, e n?o em sistemas planos, como Talbot havia feito.

Posi??o angular e momento angular orbital

A luz que viaja em uma fibra de um tipo especial, chamada fibra com n?cleo em anel, passa por um processo de autoimagem, embora em uma posi??o angular.

"? medida que a luz entra na fibra em uma posi??o angular espec?fica do n?cleo da fibra em forma de anel, ela primeiro se espalha por todo o n?cleo cil?ndrico, e ent?o se recombina perfeitamente para formar o campo original por meio do processo de autoimagem," explicou o pesquisador Matias Eriksson.

Mas essa autoimagem em posi??es angulares ? apenas metade do efeito Talbot em geometrias cil?ndricas: Um efeito de interfer?ncia semelhante tamb?m aparece em uma propriedade intimamente relacionada da luz, conhecida como momento angular orbital, que permite que a luz gire ao redor do eixo ?ptico, ou seja, fa?a as part?culas orbitarem em um caminho semelhante a um anel - esse fen?meno ? mais conhecido como "luz torcida", e j? ? usado at? para girar part?culas.

Fundamentalmente, ambas as propriedades, posi??o angular e momento angular orbital, s?o consideradas vari?veis complementares, o que significa que a defini??o precisa de uma leva ? imprecis?o da outra propriedade.

A equipe agora conseguiu combinar, pela primeira vez em um ?nico experimento, a autoimagem em ?ngulo com a autoimagem do momento angular orbital. E isso traz um controle sem precedentes da estrutura espacial da luz.

"O efeito generalizado de autoimagem pode ser habilmente ajustado para codificar, converter e decodificar informa??es nos valores de momento angular orbital da luz, de modo que eles possam atuar como canais de comunica??o independentes," detalhou Eriksson.

Com isto, o experimento torna realidade a promessa te?rica de se fazer uma comunica??o com uma taxa de dados muito mais alta em uma opera??o sem perdas e sem diafonia, o que pode ter um impacto profundo no futuro das comunica??es ?pticas.

Dualidade espa?o-tempo

Mas o experimento n?o parou por a?, permitindo tamb?m explorar a intrigante conex?o com o dom?nio do tempo, o que cria possibilidades intrigantes de aplica??o al?m das comunica??es.

Um princ?pio fundamental em ?ptica ? conhecido como dualidade espa?o-tempo, que sugere que muitos efeitos que s?o observados espacialmente tamb?m podem ser vistos na estrutura temporal da luz. Com base nesse princ?pio, a autoimagem generalizada no tempo ocorre para uma fileira peri?dica de pulsos ?pticos e seu pente de frequ?ncia correspondente, ou seja, luz contendo apenas frequ?ncias bem definidas e igualmente espa?adas.

O experimento revelou uma nova forma de dualidade espa?o-tempo ao mostrar a forte liga??o entre ?ngulo/momento angular e tempo/frequ?ncia.

"Isso significa que os fen?menos f?sicos observados nesses dois campos est?o amplamente conectados, e as t?cnicas de processamento de um podem ser usadas para o outro," explicou Jianqi Hu.

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