Além das aplicações imediatas em sistemas de comunicação óptica mais avançados, esse fenômeno revelou um novo tipo de dualidade espaço-tempo, que pode ser utilizado para unificar diferentes áreas da óptica, permitindo que as ferramentas de um campo funcionem no outro.
[Imagem: Jianqi Hu et al.]
O efeito, observado pela primeira vez em 1836 por Henry Talbot, pioneiro da fotografia, ocorre quando padrões de luz reaparecem espontaneamente após propagação, sem a necessidade de lentes ou outros dispositivos óticos. Este fenômeno, conhecido como autoimagem da luz ou efeito Talbot, vem sendo explorado em tecnologias como computação quântica e relógios atômicos.
O efeito Talbot ocorre quando uma onda plana de luz coerente incide sobre uma estrutura periódica, chamada de grade de difração, gerando imagens dessa grade em distâncias periódicas, chamadas de distâncias de Talbot. Essas imagens repetidas são conhecidas como autoimagens ou imagens Talbot.
Jianqi Hu e sua equipe estavam focados na chamada “escultura da luz”, técnicas que buscam moldar o campo de luz para aplicações que vão desde comunicações ópticas até pinças de luz. Considerando a importância das fibras ópticas na fotônica, o grupo decidiu explorar as autoimagens em sistemas cilíndricos, em vez de sistemas planos, como fez Talbot.
A luz que se propaga por uma fibra com núcleo em anel passa por um fenômeno de autoimagem, mas com uma característica diferenciada: ocorre em uma posição angular específica.
“Quando a luz entra na fibra em um ângulo determinado dentro do núcleo em forma de anel, ela se espalha por toda a área cilíndrica e, em seguida, se recombina de maneira exata, recuperando seu campo original por meio do processo de autoimagem,” explicou Matias Eriksson, um dos pesquisadores envolvidos.
No entanto, essa manifestação de autoimagem em posições angulares é apenas uma parte do efeito Talbot em geometrias cilíndricas. Também surge um fenômeno de interferência relacionado ao momento angular orbital da luz. Esse aspecto permite que a luz gire ao redor do eixo óptico, fazendo com que as partículas sigam trajetórias circulares, sendo esse fenômeno conhecido como “luz torcida” e já utilizado para manipulação de partículas.
Essas duas propriedades — a posição angular e o momento angular orbital — são variáveis complementares, o que significa que ao aprimorar a precisão em uma delas, a outra perde definição.
A equipe de pesquisa conseguiu, pela primeira vez, integrar em um único experimento a autoimagem angular e a autoimagem do momento angular orbital. Esse feito possibilita um controle extraordinário sobre a estrutura espacial da luz.
“O efeito de autoimagem ampliado pode ser ajustado de forma precisa para codificar, converter e decodificar informações com base nos valores do momento angular orbital da luz, permitindo que esses valores funcionem como canais de comunicação independentes,” detalhou Eriksson.
Com isso, é possível alcançar uma comunicação com taxas de transmissão muito mais altas, sem perdas ou interferências, o que poderá revolucionar as comunicações ópticas no futuro.
[Imagem: Jianqi Hu et al.]
Autoimagem da luz e a exploração da dualidade espaço-tempo
O experimento não se limitou à comunicação óptica, mas também permitiu investigar uma interessante conexão entre o espaço e o tempo, criando novas possibilidades de aplicação além do campo das comunicações.
A dualidade espaço-tempo é um princípio fundamental da óptica que sugere que muitos efeitos observados no espaço podem também ser observados na estrutura temporal da luz. Baseado nesse conceito, a autoimagem no domínio temporal ocorre em uma sequência periódica de pulsos ópticos, ou um pente de frequências, onde a luz contém apenas frequências bem definidas e igualmente espaçadas.
O experimento revelou uma nova forma de dualidade espaço-tempo, evidenciando a forte conexão entre ângulo/momento angular e tempo/frequência.
[Imagem: Jianqi Hu et al.]
“Isso significa que os fenômenos observados nesses dois domínios estão profundamente interligados, e as técnicas de processamento de um podem ser aplicadas ao outro,” concluiu Jianqi Hu.
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