Dum espelho plano, luz de design

Um fenómeno óptico que desafia as leis da reflexão e da refracção

No passado dia 1 de Setembro Caroline Perry, do gabinete de comunicações da SEAS, a School of Engineering and Applied Sciences, a Escola de Engenharia e de Ciências Aplicadas da Universidade de Harvard, veio anunciar que, ao explorarem uma nova técnica denominada descontinuidade de fase, uma equipa de investigadores induziu um comportamento em raios de luz que desafia as vetustas leis da reflexão e da refracção.

A descoberta, publicada a 2 de Setembro na revista Science, levou a uma reformulação das leis matemáticas que predizem o caminho percorrido por um raio de luz reflectido duma superfície ou a viajar dum meio para outro. Por exemplo do ar para um vidro.

Fotos por Eliza Grinnell e Nanfang Yu/SEAS

Os membros da equipa. Na foto de cima Patrice Genevet (da esq. e no sentido do ponteiro dos relógios), Nanfang Yu, Federico Capasso, Zeno Gaburro, and Mikhail A. Kats. Na parte debaixo da foto, uma simulação da imagem que apareceria num espelho grande padronizado com a nova tecnologia de espelho-fase da equipa.

“Usando superfícies pré-concebidas, criámos os efeitos duma casa dos espelhos mágicos num plano raso,” afirmou o co-investigador principal Federico Capasso, da cátedra Robert L. Wallace de Física Aplicada, pesquisador e membro sénior do Grupo de Pesquisa Vinton Hayes de engenharia electrónica na SEAS. “A nossa descoberta leva a óptica a novel território e abre a porta a novos e empolgantes desenvolvimentos nas tecnologias de fotónica.

É há muito, desde a antiguidade, reconhecido que a luz viaja a velocidades diferentes em meios diferentes. A reflexão e a refracção ocorrem sempre que a luz vai de encontro ao material num ângulo, dado que um dos lados do raio consegue ultrapassar e correr à frente do outro. Em resultado, a frente da onda de luz muda de direcção.

As leis convencionais da Física, ensinadas nas salas de aulas de todo o mundo, predizem os ângulos de reflexão e de refracção baseando-se somente no ângulo incidente (da luz que está a chegar) e nas propriedades dos 2 meios.

Ao estudar o comportamento duma luz impingida em superfícies padronizadas com nanoestructuras metálicas, os investigadores verificaram que as equações habituais eram insuficientes para descreverem o bizarro fenómeno observado no laboratório.

A novas leis generalizadas, que foram derivadas e demonstradas experimentalmente em Harvard, levam em conta a descoberta do grupo de Capasso que observou que a zona de transição entre 2 meios, no caso de estar especialmente padronizada, pode comportar-se ela própria como um 3ª meio.

“Normalmente, uma superfície como a dum lago é simplesmente uma fronteira entre dois meios, entre o ar e a água,” disse o autor principal Nanfang Yu, doutorado em 2009, e investigador associado no laboratório de Capasso no SEAS. “Mas agora, neste caso especial, a fronteira torna-se num interface activo que consegue curvar a luz por si próprio.”

O componente chave é um alinhamento agrupado de minúsculas antenas de ouro estampadas na superfície do silício (que não o polímero silicone, n.t.) utilizado no laboratório de Capasso. Este alinhamento está estructurado numa escala muito mais estreita do que a do comprimento de onda da luz que lhe incide. Isto significa que, ao contrário dum sistema óptico convencional, a fronteira artificial possibilitada pela engenharia óptica entre o ar e o silício, aporta um desvio de fase abrupto – denominado “descontinuidade de fase” – às cristas da onda de luz que o atravessa.

Cada antena no alinhamento é um minúsculo ressonador que pode apresar a luz, retendo a sua energia por um dado período de tempo antes da libertar. Um gradiente de diferentes tipos de ressonadores à nano escala, disposto através da superfície, pode curvar a luz com eficácia antes mesmo desta começar a propagar-se através do novo meio.

O fenómeno quebra as antigas leis, criando feixes de luz que reflectem e refractem de forma arbitrária, em função do padrão da superfície.

Os pesquisadores de Harvard adicionaram um novo termo (um termo engloba os membros duma equação, n.t.) às equações, de forma a generalizarem as Leis da reflexão e da refracção nos textos de referência, e este termo representa o gradiente dos desvios de fase aportados à fronteira. É importante salientar que, no caso deste gradiente estar ausente, as novas leis revertem para as já bem conhecidas. [Nesta ligação da HyperPhysics poderão os interessados consultar a Leis da Reflexão, da Refracção e das leis e dos Princípios associados]

“Ao incorporarmos um gradiente de descontinuidades de fase através do interface, as leis da reflexão e da refracção tornam-se leis de design, e surge uma panóplia de novos fenómenos,” segundo declarou Zeno Gaburro, um académico visitante do grupo de Capasso, e que foi co-investigador principal neste trabalho. “O feixe reflectido pode tornar atrás em vez de avançar. Pode-se assim criar refracção negativa. Regista-se um novo ângulo de reflexão interna total.”

Nanfang Yu, Zeno Gaburro, Federico Capasso, e os seus e as suas colegas no SEAS criaram uns efeitos ópticos estranhos, que incluem feixes de vórtices em forma de saca-rolhas, ao reflectirem a luz duma superfície plana e nano estructurada. Imagem cortesia de Nanfang Yu/SEAS

Para mais, a frequência (a cor), a amplitude (a luminosidade objectiva, n.t.) e a polarização podem igualmente ser controladas, significando que a resultante é, na sua essência, um feixe conceptualizado por design.

Os investigadores já lograram produzir um feixe em vórtice (um feixe de luz em forma de saca-rolhas helicoidal) a partir duma superfície plana. Também idealizam lentes planas que poderão focar uma imagem sem aberrações.

Yu, Capasso, e Gaburro’s. Os co-autores incluem Patrice Genevet, Mikhail A. Kats, Francesco Aieta, e Jean-Philippe Tetienne.

Esta investigação foi financiada pela  National Science Foundation (NSF),  pela Harvard Nanoscale Science and Engineering Center, também financiada pela NSF, pelo The Center for Nanoscale Systems at Harvard (parte da  National Nanotechnology Infrastructure Network, também financiada pela NSF), e pela the European Communities Seventh Framework Programme, e ainda pela  Harvard Faculty of Arts and Sciences’ Science Division Research Computing Group.