Problema que intrigava os físicos há mais de 100 anos acaba de ser resolvido

Tradução do Science Daily

Imagem: Escola Politécnica Federal de Lausanne

Cientistas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (Suíça) desafiaram uma lei fundamental da física e descobriram que mais energia eletromagnética pode ser armazenada em sistemas de guias de ondas do que se pensava anteriormente. A descoberta tem implicações nas telecomunicações. Trabalhando com a lei fundamental, conceberam sistemas de ressonância e de guia de ondas capazes de armazenar energia durante um período prolongado enquanto mantinham uma ampla largura de banda. Seu truque é criar sistemas assimétricos de ressonância e de guia de ondas usando campos magnéticos.

O estudo, que acaba de ser publicado na Science, foi liderado por Kosmas Tsakmakidis, primeiro na Universidade de Ottawa (Canadá) e depois no Laboratório  de Sistemas Bionanofotônicos da instituição suíça, dirigido por Hatice Altug, onde Tsakmakidis está conduzindo atualmente sua pesquisa de pós doutorado.

Este avanço pode ter um grande impacto em muitas áreas da engenharia e da física. O número de potenciais aplicações está próximo do infinito, com as telecomunicações, os sistemas de detecção óptica e de coleta de energia de banda larga representando apenas alguns exemplos.

Descartando a reciprocidade

Sistemas de ressonância e de guia de ondas estão presentes na vasta maioria dos sistemas ópticos e eletrônicos. O seu papel consiste em armazenar temporariamente energia em forma de ondas eletromagnéticas e então liberá-las. Por mais de 100 anos, esses sistemas eram limitados por um fenômeno que era considerado fundamental: o tempo que uma onda podia ser armazenada era inversamente proporcional à sua largura de banda. Essa relação era interpretada de uma maneira que seria impossível ter grandes quantidades de dados em sistemas de ressonância ou de guia de ondas durante um longo período de tempo porque aumentar a largura de banda significaria diminuir o tempo de armazenamento e a qualidade do mesmo.

A lei foi formulada pela primeira vez por K.S. Johnson em 1914, na companhia Western Electric (a predecessora dos Laboratórios Telefônicos Bell). Ele introduziu o conceito de fator Q, segundo o qual um ressonador pode ou armazenar energia por um tempo longo ou ter uma largura de banda ampla, mas não ambos ao mesmo tempo. Aumentar o tempo de armazenamento significaria diminuir a largura de banda, e vice versa. Uma largura de banda pequena significa um âmbito limitado de frequências (ou “cores”) e portanto uma quantidade limitada de dados.

Até agora esse conceito nunca tinha sido desafiado. Físicos e engenheiros sempre construiram sistemas de ressonância – como aqueles que produzem lasers, fazem circuitos eletrônicos e conduzem diagnósticos médicos – tendo essa limitação em mente.

Mas ela agora é coisa do passado. Os investigadores criaram um sistema híbrido de ressonância/ guia de ondas feito de um material óptico-magnético que, quando um campo magnético é aplicado, é capaz de deter a onda e armazená-la por um período prolongado, dessa forma acumulando grandes quantidades de energia. Então, quando o campo magnético é desligado, o pulso imobilizado é liberado.

Com tais sistemas assimétricos e não-recíprocos, é possível armazenar uma onda por um período longo de tempo enquanto se mantém uma ampla largura de banda. O limite convencional do tempo de largura de banda foi superado por um fator de 1.000. Os cientistas, além disso, mostraram que, teoricamente, não há um teto para esse limite nesses sistemas assimétricos (não-recíprocos).

“Foi um momento de revelação quando descobrimos que essas novas estruturas não apresentavam nenhuma restrição no tempo da largura de banda. Esses sistemas são diferentes a tudo a que estávamos acostumados por décadas, e possivelmente centenas de anos,” diz Tsakmakidis, o líder do estudo. “A sua performance superior na capacidade de armazenamento de ondas poderia ser um facilitador para uma série de empolgantes aplicações em diversas áreas de pesquisa, contemporâneas e mais tradicionais”, diz Hatice Altug.

Medicina, meio ambiente e telecomunicações

Uma possível aplicação é no design de buffers ópticos extremamente rápidos e eficientes para redes de telecomunicações. O papel desses buffers é o de armazenar temporariamente dados que chegam na forma de luz via fibras ópticas. Ao tornar mais lenta a massa de dados, é mais fácil processá-los. Até agora, a qualidade do armazenamento tinha sido limitada.
Com essa nova técnica, deverá ser possivel melhorar o processo e armazenar grandes larguras de banda de dados por períodos prolongados. Outras potenciais aplicações incluem espectroscopia no chip, coleta de luz de band larga e armazenamento de energia, e camuflagem óptica de banda larga (que poderia tornar possíveis os “mantos de invisibilidade”). “A descoberta revelada é absolutamente fundamental – nós estamos dando aos pesquisadores uma nova ferramenta e o número de aplicações é limitado apenas pela imaginação de cada um”, concluiu Tsakmakidis.

sobre-o-autor-alejandro-rico

 

Anúncios