Luz brilhante e distorcida pode ser produzida com tecnologia semelhante a uma lâmpada Edison, mostraram pesquisadores da Universidade de Michigan. A descoberta acrescenta nuances à física elementary, ao mesmo tempo que oferece um novo caminho para sistemas de visão robótica e outras aplicações para a luz que traça uma hélice no espaço.
“É difícil gerar brilho suficiente ao produzir luz distorcida com métodos tradicionais, como a luminescência de elétrons ou fótons”, disse Jun Lu, pesquisador adjunto em engenharia química na UM e primeiro autor do estudo na capa desta semana. Ciência.
“Gradualmente percebemos que na verdade temos uma maneira muito antiga de gerar esses fótons – não dependendo de excitações de fótons e elétrons, mas como a lâmpada que Edison desenvolveu.”
Cada objeto com algum calor, incluindo você, está constantemente enviando fótons (partículas de luz) em um espectro vinculado à sua temperatura. Quando o objeto tem a mesma temperatura do ambiente, ele também absorve uma quantidade equivalente de fótons – isso é idealizado como “radiação de corpo negro” porque a cor preta absorve todas as frequências de fótons.
Embora o filamento de uma lâmpada de tungstênio seja muito mais quente do que o seu entorno, a lei que outline a radiação do corpo negro – a lei de Planck – oferece uma boa aproximação do espectro de fótons que ela emite. Todos juntos, os fótons visíveis parecem luz branca, mas quando você passa a luz através de um prisma, você pode ver o arco-íris de diferentes fótons dentro dele.
Essa radiação também é a razão pela qual você aparece intensamente em uma imagem térmica, mas mesmo objetos à temperatura ambiente estão constantemente emitindo e recebendo fótons de corpo negro, tornando-os também pouco visíveis.
Normalmente, a forma do objeto que emite a radiação não recebe muita consideração – para a maioria dos propósitos (como tantas vezes na física), o objeto pode ser imaginado como uma esfera. Mas embora a forma não afete o espectro de comprimentos de onda dos diferentes fótons, ela pode afetar uma propriedade diferente: sua polarização.
Normalmente, os fótons de uma fonte de corpo negro são polarizados aleatoriamente – suas ondas podem oscilar ao longo de qualquer eixo. O novo estudo revelou que se o emissor fosse torcido em micro ou nanoescala, com o comprimento de cada torção semelhante ao comprimento de onda da luz emitida, a radiação do corpo negro também seria torcida. A força da torção da luz, ou sua polarização elíptica, dependia de dois fatores principais: quão próximo o comprimento de onda do fóton estava do comprimento de cada torção e as propriedades eletrônicas do materials – nanocarbono ou metallic, neste caso .
A luz distorcida também é chamada de “quiral” porque as rotações no sentido horário e anti-horário são imagens espelhadas uma da outra. O estudo foi realizado para demonstrar a premissa de um projeto mais aplicado que a equipe de Michigan gostaria de realizar: usar radiação quiral de corpo negro para identificar objetos. Eles imaginam robôs e carros autônomos que podem ver como camarões louva-a-deus, diferenciando ondas de luz com diferentes direções de rotação e graus de torção.
“Os avanços na física da radiação do corpo negro por nanoestruturas quirais são centrais para este estudo. Esses emissores estão por toda parte ao nosso redor, “disse Nicholas Kotov, Distinto Professor de Ciências Químicas e Engenharia da Irving Langmuir, diretor do Centro de Partículas Complexas e Sistemas de Partículas da NSF (COMPASS) e autor correspondente do estudo.
“Essas descobertas, por exemplo, podem ser importantes para um veículo autônomo dizer a diferença entre um cervo e um humano, que emitem luz com comprimentos de onda semelhantes, mas com helicidade diferente, porque a pele do cervo tem uma ondulação diferente do nosso tecido”.
Embora o brilho seja a principal vantagem deste método para produzir luz distorcida – até 100 vezes mais brilhante do que outras abordagens – a luz inclui um amplo espectro de comprimentos de onda e distorções. A equipe tem ideias sobre como resolver isso, incluindo explorar a possibilidade de construir um laser que dependa de estruturas emissoras de luz torcidas.
Kotov também quer explorar mais o espectro infravermelho. O comprimento de onda máximo da radiação do corpo negro à temperatura ambiente é de aproximadamente 10.000 nanômetros ou 0,01 milímetros.
“Esta é uma área do espectro com muito ruído, mas pode ser possível aumentar o contraste através da sua polarização elíptica”, disse Kotov.
O estudo foi apoiado pela Nationwide Science Basis through COMPASS e pelo Workplace of Naval Analysis.
Kotov também é professor de engenharia Joseph B. e Florence V. Cejka, professor de ciência e engenharia macromolecular e membro do Instituto de Biointerfaces da UM. Lu é professor assistente de química e física na Universidade Nacional de Cingapura.
O dispositivo foi construído no Laboratório COMPASS localizado no Complexo de Pesquisa do Campus Norte da UM e estudado no Centro de Caracterização de Materiais de Michigan.
