Cientistas criaram uma nova antena óptica para transmitir informações sem restrições

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que podem aumentar drasticamente a quantidade de dados que transportam. Eles demonstraram a emissão de feixes de laser retorcidos discretos de antenas consistindo de anéis concêntricos do tamanho de um cabelo humano, pequenos o suficiente para caber em chips de computador.

O novo trabalho, relatado em artigo publicado na revista Nature Physics, divulga amplamente a quantidade de informação que pode ser multiplexada ou transmitida simultaneamente por uma fonte de luz coerente. Um exemplo comum de multiplexação é a transmissão de várias chamadas telefônicas em um único fio, mas havia limitações fundamentais no número de ondas de luz torcidas coerentes que poderiam ser multiplexadas diretamente.

Esta é a primeira vez que os lasers de luz torcida são multiplexados diretamente, disse o investigador principal Boubacar Kante, do Departamento de Eletricidade e Ciência da Computação da Universidade da Califórnia, Berkeley.

Estamos experimentando uma explosão de dados em nosso mundo, e os canais de comunicação que temos agora serão insuficientes para o que precisamos. A tecnologia que estamos relatando supera as limitações atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. É uma virada de jogo com aplicações em imagens biológicas, criptografia quântica, comunicações e sensores de alto desempenho.

Kante disse que os métodos modernos de transmissão de sinais por ondas eletromagnéticas estão chegando ao limite. A frequência, por exemplo, ficou saturada, por isso há tantas estações que você pode sintonizar no rádio. A polarização, na qual as ondas de luz são divididas em dois valores - horizontal ou vertical - pode dobrar a quantidade de informações transmitidas.

Os cineastas tiram vantagem disso para criar filmes 3D, permitindo que os espectadores com óculos especializados recebam dois conjuntos de sinais - um para cada olho para criar um efeito estereoscópico e uma ilusão de profundidade.

Usando o potencial em um vórtice:

Mas, além da frequência e da polarização, está o momento angular orbital, ou OAM, uma propriedade da luz que chamou a atenção dos cientistas porque fornece largura de banda exponencialmente maior para a transmissão de dados. Uma maneira de representar OUM é compará-lo a um redemoinho de tornado.

Um vórtice de luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princípio, suportar uma quantidade ilimitada de dados, disse Kante. O desafio era encontrar uma maneira de produzir de forma confiável um número infinito de feixes OAM. Ninguém jamais produziu feixes OAM de cargas tão altas em um dispositivo tão compacto.

Os pesquisadores começaram com uma antena, um dos componentes mais importantes do eletromagnetismo e, eles observaram, central para as tecnologias 5G atuais e 6G futuras. As antenas neste estudo são topológicas, o que significa que suas propriedades básicas são mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Criando anéis de luz:

Para fazer a antena topológica, os pesquisadores usaram litografia de feixe de elétrons para gravar uma grade no fosforeto de arseneto de índio-gálio, um material semicondutor, e então anexaram a estrutura a uma superfície de granada de ítrio e ferro.

Os pesquisadores desenvolveram uma grade para formar poços quânticos na forma de três círculos concêntricos - o maior, com cerca de 50 mícrons de diâmetro, para capturar fótons. O projeto criou as condições para suportar um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento dos fótons quando um campo magnético é aplicado que faz com que a luz se mova em anéis em apenas uma direção.

As pessoas pensaram que o efeito Hall quântico com um campo magnético poderia ser usado na eletrônica, mas não na óptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequências ópticas, disse Kante. Fomos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quântico realmente funciona para a luz.

Ao aplicar um campo magnético perpendicular à sua microestrutura bidimensional, os pesquisadores geraram com sucesso três feixes de laser OUM movendo-se em órbitas circulares acima da superfície. O estudo também mostrou que os feixes de laser têm números quânticos de até 276, o que significa o número de vezes que a luz é girada em seu eixo no mesmo comprimento de onda.

Ter um número quântico maior é como ter mais letras no alfabeto, disse Kante. - Permitimos que a luz expanda seu vocabulário. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicações, mas, em princípio, ela pode ser adaptada a outras bandas de frequência também. Embora tenhamos criado três lasers multiplicando a taxa de dados por três, não há limite para o número de feixes e capacidade de dados.

Os cientistas dizem que o próximo passo será criar anéis Hall quânticos.