Refração negativa da luz obtida com átomos, em vez de metamateriais

Materiais Avan?ados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/02/2025

Refra??o negativa

Pela primeira vez, cientistas demonstraram que ? poss?vel obter um ?ndice de refra??o negativo em cristais cuidadosamente projetados a partir de ?tomos de elementos qu?micos comuns, sem a necessidade de usar metamateriais fabricados artificialmente, que tamb?m precisam ser muito maiores do que matrizes de ?tomos.

A refra??o ocorre quando a luz muda de dire??o ao passar, por exemplo, do ar para a ?gua ou para um vidro. A refra??o negativa, no entanto, ? um efeito n?o natural, no qual a luz em um meio se curva na dire??o oposta ao que ? tipicamente observado na natureza.

Os materiais naturais interagem com a luz por meio de transi??es at?micas, onde el?trons saltam entre diferentes n?veis de energia. No entanto, esse processo de intera??o tem limita??es significativas. Por exemplo, a luz, que ? radia??o eletromagn?tica, interage principalmente com seu componente de campo el?trico, deixando o componente de campo magn?tico amplamente sem uso.

Da? o fasc?nio pela refra??o negativa, que pode ter aplica??es inovadoras, como criar uma lente perfeita, capaz de focar e gerar imagens al?m do limite de difra??o, ou desenvolver dispositivos de camuflagem - ou mantos de invisibilidade - que tornam os objetos invis?veis.

Essas possibilidades, juntamente com as restri??es inerentes ?s propriedades ?pticas dos materiais naturais, levaram ao desenvolvimento dos metamateriais, ou materiais projetados artificialmente - em vez de ?tomos dos elementos qu?micos conhecidos, eles s?o feitos com meta-?tomos, nanoestruturas que funcionam como nanoantenas para manipular ondas (n?o precisa ser s? onda de luz) e ent?o gerar o fen?meno da refra??o negativa.

Mas agora Janne Ruostekoski e Kyle Ballantine, da Universidade Lancaster (Reino Unido), e Lewis Ruks, do Laborat?rio de Pesquisas B?sicas NTT (Jap?o), demonstraram que ? poss?vel "naturalizar" tudo, gerando o ?ndice de refra??o negativo com ?tomos naturais cuidadosamente ajustados.

Cristais de luz

A nova abordagem para obter a refra??o negativa come?ou com simula??es computadorizadas detalhadas - ?tomo por ?tomo - da luz se propagando atrav?s de matrizes at?micas.

O efeito de refra??o negativa pode ser obtido prendendo ?tomos em redes ?pticas peri?dicas. Redes ?pticas s?o como "caixas de ovos" feitas de luz, onde os ?tomos s?o mantidos nos "po?os" entre os raios de luz que se cruzam, que essencialmente funcionam como ondas de luz estacion?rias - pense na coisa como um "cristal artificial".

"Esses cristais at?micos precisamente dispostos permitem que os pesquisadores controlem as intera??es entre ?tomos e luz com extraordin?ria precis?o, abrindo caminho para novas tecnologias baseadas em refra??o negativa," disse Ruks.

As simula??es comprovaram que a resposta cooperativa dos ?tomos pode permitir a refra??o negativa, eliminando completamente a necessidade de usar metamateriais.

"Nesses casos, os ?tomos interagem uns com os outros por meio do campo de luz, respondendo coletivamente, em vez de independentemente. Isso significa que a resposta de um ?nico ?tomo n?o fornece mais um guia simples para o comportamento de todo o conjunto. Em vez disso, as intera??es coletivas d?o origem a propriedades ?pticas emergentes, como refra??o negativa, que n?o podem ser previstas examinando ?tomos individuais isoladamente," detalhou Ruostekoski.

Vantagens e desvantagens

O comportamento coletivo dos ?tomos em redes ?pticas oferece v?rias vantagens importantes.

Diferentemente dos metamateriais fabricados artificialmente, os sistemas at?micos fornecem um meio puro e limpo, livre de imperfei??es de fabrica??o, dizem os pesquisadores. Nesses sistemas, a luz interage com os ?tomos de maneira controlada e precisa, sem as perdas de absor??o das nanoantenas, que normalmente convertem parte da luz em calor.

Essas propriedades ?nicas fazem dos meios at?micos uma alternativa promissora aos metamateriais para aplica??es pr?ticas de refra??o negativa, embora a implanta??o desses sistemas seja mais delicada e mais dif?cil de ser tornada port?til.

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