Cientistas descobrem como fazer luz atravessar objetos sólidos

Allard Mosk / Matthias Kühmayer

Uma equipa de cientistas da TU Wien e da Universidade de Utrecht descobriu como fazer luz atravessar objetos sólidos.

Por que o açúcar não é transparente? Porque a luz que penetra em um bloco de açúcar é espalhada, alterada e desviada de uma forma extremamente complicada. No entanto, como uma equipe de pesquisa da TU Wien (Viena) e da Universidade de Utrecht (Holanda) já foi capaz de mostrar, há uma classe de ondas de luz muito especiais para as quais isso não se aplica: para qualquer meio desordenado específico — como o cubo de açúcar que você pode ter colocado em seu café — feixes de luz sob medida podem ser criados que praticamente não são alterados por este meio, mas apenas atenuados. O feixe de luz penetra no meio, e um padrão de luz chega do outro lado que tem a mesma forma, como se o meio não estivesse lá.

Essa ideia de “modos de luz invariantes de dispersão” também pode ser usada para examinar especificamente o interior dos objetos. Os resultados foram publicados na revista Nature Photonics.

As ondas na superfície turbulenta da água podem assumir um número infinito de formas diferentes — e de forma semelhante, ondas de luz também podem ser feitas de inúmeras formas diferentes. “Cada um desses padrões de ondas de luz é alterado e desviado de uma maneira muito específica quando você a envia através de um meio desordenado”, explica o Prof. Stefan Rotter, do Instituto de Física Teórica da TU Wien.

Juntamente com sua equipe, Stefan Rotter está desenvolvendo métodos matemáticos para descrever tais efeitos de dispersão de luz. Conhecimento para produzir e caracterizar tais campos de luz complexos foi trazido pela equipe em torno do Prof. Allard Mosk na Universidade de Utrecht. “Como meio de dispersão de luz, usamos uma camada de óxido de zinco — um pó branco opaco de nanopartículas completamente organizadas aleatoriamente”, explica Allard Mosk, chefe do grupo experimental de pesquisa.

Primeiro, você tem que caracterizar essa camada precisamente. Você emite sinais de luz muito específicos através do pó de óxido de zinco e mede como eles chegam ao detector atrás dele. A partir disso, você pode então concluir como qualquer outra onda é alterada por este meio — em particular, você pode calcular especificamente qual padrão de onda é alterado por esta camada de óxido de zinco exatamente como se a dispersão de ondas estivesse totalmente ausente nesta camada.

“Como pudemos mostrar, há uma classe muito especial de ondas de luz — os chamados modos de luz invariante de dispersão, que produzem exatamente o mesmo padrão de onda no detector, independentemente de a onda de luz ter sido enviada apenas pelo ar ou se teve que penetrar na complicada camada de óxido de zinco”, diz Stefan Rotter. “No experimento, vemos que o óxido de zinco realmente não muda a forma dessas ondas de luz totalmente — elas ficam um pouco mais fracas no geral”, explica Allard Mosk.

Uma constelação estelar no detector de luz

Por mais especiais e raros que esses modos de luz invariantes possam ser, com o número teoricamente ilimitado de possíveis ondas de luz, ainda se pode encontrar muitas delas. E se você combinar vários desses modos de luz invariante de dispersão no arranjo certo certa, você terá uma forma de onda invariante de dispersão.

“Desta forma, pelo menos dentro de certos limites, você tem bastante liberdade para escolher qual imagem você quer enviar através do objeto sem interferência”, diz Jeroen Bosch, que trabalhou no experimento como um estudante de doutorado. “Para o experimento, escolhemos uma constelação como exemplo: a Ursa Maior. E, de fato, foi possível determinar uma onda invariante que envia uma imagem da Ursa Maior para o detector, independentemente de a onda de luz estar espalhada pela camada de óxido de zinco ou não. Para o detector, o feixe de luz parece quase o mesmo em ambos os casos.”

Olhando no interior de uma célula

Este método de encontrar padrões de luz que penetram em um objeto grande e imperturbável também poderia ser usado para procedimentos de imagem. “Em hospitais, os raios-X são usados para olhar dentro do corpo — eles têm um comprimento de onda mais curto e, portanto, podem penetrar em nossa pele. Mas a forma como uma onda de luz penetra um objeto depende não apenas do comprimento de onda, mas também da forma de onda”, diz Matthias Kühmayer, que trabalha como doutorando em simulações de computador de propagação de ondas. “Se você quer focar a luz dentro de um objeto em certos pontos, então nosso método abre possibilidades completamente novas. Conseguimos mostrar que, usando nossa abordagem, a distribuição de luz dentro da camada de óxido de zinco também pode ser especificamente controlada.” Isso pode ser interessante para experimentos biológicos, por exemplo, onde você quer introduzir luz em pontos muito específicos, a fim de olhar profundamente dentro das células.

O que a publicação conjunta dos cientistas dos Países Baixos e da Áustria já mostra é o quão importante é a cooperação internacional entre teoria e experimento para alcançar o progresso nesta área de pesquisa.

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