Físicos criam minúsculos furacões de luz que podem transportar enormes quantidades de dados

Grande parte da vida moderna depende da codificação de informações em meios que permitem sua entrega. Um método comum é codificar dados na luz de laser e enviá-los através de cabos de fibra ótica. A crescente demanda por maior capacidade de informação exige que encontremos constantemente maneiras melhores de codificá-la.

Pesquisadores do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Aalto descobriram uma nova forma de criar minúsculos furacões de luz — conhecidos pelos cientistas como vórtices — que podem transportar informações. O método baseia-se na manipulação de nanopartículas metálicas que interagem com um campo elétrico.

O método de design, pertencente a uma classe de geometria conhecida como quasicristais, foi concebido pelo Pesquisador de Doutorado Kristian Arjas e realizado experimentalmente pelo Pesquisador de Doutorado Jani Taskinen, ambos do grupo de Dinâmica Quântica da Professora Päivi Törmä. A descoberta representa um avanço fundamental na física e carrega o potencial para formas totalmente novas de transmissão de informações.

O estudo foi publicado na revista Nature Communications.

Meio caminho entre ordem e caos Um vórtice é, neste caso, como um furacão que ocorre em um feixe de luz, onde um centro calmo e escuro é cercado por um anel de luz brilhante. Assim como o olho de um furacão é calmo devido aos ventos ao redor que sopram em direções diferentes, o olho do vórtice é escuro devido ao campo elétrico da luz brilhante apontando em direções opostas em diferentes lados do feixe.

Pesquisas anteriores em física conectaram o tipo de vórtices que podem aparecer com a quantidade de simetria na estrutura que os produz. Por exemplo, se partículas na escala nanométrica estão dispostas em quadrados, a luz produzida tem um único vórtice; hexágonos produzem um vórtice duplo e assim por diante. Vórtices mais complexos exigem, no mínimo, formas octogonais.

Agora, Arjas, Taskinen e a equipe desbloquearam um método para criar formas geométricas que teoricamente suportam qualquer tipo de vórtice.

“Esta pesquisa trata da relação entre a simetria e a rotação do vórtice, ou seja, que tipos de vórtices podemos gerar com que tipos de simetrias. Nosso design de quasicristal está no meio do caminho entre a ordem e o caos,” diz Törmä.

Boas vibrações No estudo, o grupo manipulou 100.000 nanopartículas metálicas, cada uma com o tamanho de aproximadamente um centésimo de um fio de cabelo humano, para criar seu design único. A chave estava em encontrar onde as partículas interagiam menos com o campo elétrico desejado em vez de onde interagiam mais.

“Um campo elétrico possui pontos de alta vibração e pontos onde ele é essencialmente nulo. Introduzimos partículas nesses pontos nulos, o que desligou todo o resto e nos permitiu selecionar o campo com as propriedades mais interessantes para aplicações,” diz Taskinen.

A descoberta abre um vasto campo de pesquisa no ativo domínio do estudo topológico da luz. Também representa os primeiros passos para uma poderosa forma de transmitir informações em áreas onde a luz é necessária para enviar dados codificados, incluindo as telecomunicações.

“Poderíamos, por exemplo, enviar esses vórtices através de cabos de fibra ótica e desempacotá-los no destino. Isso nos permitiria armazenar nossas informações em um espaço muito menor e transmitir muito mais informações de uma só vez. Um palpite otimista sobre o quanto seria de oito a dezesseis vezes a quantidade de informação que podemos atualmente entregar por fibra ótica,” diz Arjas.

As aplicações práticas e a escalabilidade do design da equipe provavelmente levarão anos de engenharia. O grupo de Dinâmica Quântica da Universidade de Aalto, no entanto, está bastante ocupado com pesquisas em supercondutividade e no aprimoramento de LEDs orgânicos.

O grupo utilizou a infraestrutura de pesquisa OtaNano para tecnologias nano, micro e quânticas em seu estudo.