Na Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), os pesquisadores desafiaram uma lei fundamental da física e descobriram que mais energia eletromagnética pode ser armazenada em sistemas de guia de ondas do que se pensava anteriormente, e essa descoberta tem implicações nas telecomunicações.
Trabalhando em torno da lei fundamental, eles conceberam sistemas ressonantes e orientadores de ondas capazes de armazenar energia durante um período prolongado, mantendo uma ampla largura de banda. Seu truque era criar sistemas de ressonância assimétrica ou de guia de onda usando campos magnéticos.
O estudo, que acabou de ser publicado na Science, foi liderado por Kosmas Tsakmakidis, primeiro na Universidade de Ottawa e depois no Laboratório de Sistemas Bionanophotônicos da EPFL, administrado por Hatice Altug, onde o pesquisador agora faz pesquisas pós-doutorais.
Este avanço poderia ter um grande impacto em muitos campos da engenharia e da física. O número de aplicações potenciais é próximo ao infinito, com telecomunicações, sistemas de detecção óptica e colheita de energia de banda larga representando apenas alguns exemplos.
Afastando a reciprocidade
Sistemas ressonantes e de guia de ondas estão presentes na grande maioria dos sistemas ópticos e eletrônicos. O seu papel é armazenar temporariamente energia na forma de ondas eletromagnéticas e, em seguida, liberá-las. Durante mais de 100 cem anos, esses sistemas foram retidos por uma limitação que foi considerada fundamental: o tempo que uma onda poderia ser armazenada era inversamente proporcional à sua largura de banda.
Esta relação foi interpretada como significando que era impossível armazenar grandes quantidades de dados em sistemas de ressonância ou de guia de onda durante um longo período de tempo, porque aumentar a largura de banda significava diminuir o tempo de armazenamento e a qualidade do armazenamento.
Esta lei foi formulada pela primeira vez por K. S. Johnson em 1914, na Western Electric Company (o precursor dos Bell Telephone Laboratories). Ele introduziu o conceito do fator Q, segundo o qual um ressonador pode armazenar energia por um longo período de tempo ou ter uma ampla largura de banda, mas não ambos ao mesmo tempo.
Aumentar o tempo de armazenamento significaria diminuir a largura de banda, e vice-versa. Uma pequena largura de banda significaria uma gama limitada de frequências (ou “cores”) e, portanto, uma quantidade limitada de dados.
Até agora, esse conceito nunca havia sido desafiado na física. Físicos e engenheiros sempre construíram sistemas ressonantes – como aqueles para produzir lasers, fazer circuitos eletrônicos e realizar diagnósticos médicos – com essa restrição em mente.
Mas essa limitação é agora uma coisa do passado. Os pesquisadores vieram com um sistema híbrido de ressonância e guia de onda feito de um material magneto-óptico que, quando um campo magnético é aplicado, é capaz de parar a onda e armazená-la por um período prolongado, acumulando assim grandes quantidades de energia. Então, quando o campo magnético é desligado, o pulso preso é liberado.
Com sistemas assimétricos e não recíprocos, foi possível armazenar uma onda por um longo período de tempo, ao mesmo tempo em que se mantêm uma grande largura de banda.
O limite convencional de largura de banda de tempo foi mesmo atingido por um fator de 1.000. Os cientistas mostraram ainda que, teoricamente, não existe um limite superior neste limite nesses sistemas assimétricos não recíprocos.
“Foi um momento de revelação quando descobrimos que essas novas estruturas não possuíam nenhuma restrição de largura de banda. Esses sistemas são diferentes do que todos estamos acostumados há décadas e, possivelmente, centenas de anos”, diz Tsakmakidis, Autor principal do estudo.
“O desempenho de sua capacidade de armazenamento de onda superior pode realmente ser um facilitador para uma variedade de aplicações excitantes em diversos campos de pesquisa contemporâneos e mais tradicionais”. Acrescenta Hatice Altug.
Medicina, meio ambiente e telecomunicações
Uma possível aplicação é o design de buffers ópticos realmente rápidos e eficientes em redes de telecomunicações. O papel dos buffers é armazenar temporariamente dados que chegam na forma de luz através de fibras ópticas. Ao diminuir a massa de dados, é mais fácil de processar. Até agora, a qualidade do armazenamento tinha sido limitada.
Com esta nova técnica, deve ser possível melhorar o processo e armazenar grandes bandas de dados por tempos prolongados. Outras aplicações potenciais incluem espectroscopia “on-chip”, colheita de luz de banda larga e armazenamento de energia, e camuflagem óptica de banda larga (“invisible cloaking”).
“O avanço relatado é completamente fundamental – estamos dando aos pesquisadores uma nova ferramenta. E o número de aplicações é limitado apenas pela imaginação de alguém”, resume Tsakmakidis. A partir de hoje, a física já não é a mesma.
