Projeto em camadas dividiria dois aspectos-chave de onda luminosa, permitindo à energia eletromagnética atrair objetos

por Evelyn Lamb

Os raios atratores, onipresentes na ficção científica, podem estar próximos se tornar fato científico. Em um artigo publicado neste ano, físicos propuseram uma estrutura que pode permitir à luz atrair objetos.
Normalmente a luz, ainda que fracamente, empurra os objetos. No campo da manipulação óptica, pinças ópticas empregam essa força para mover estruturas microscópicas: de átomos a bactérias. A capacidade de puxar aumentaria a precisão e a utilidade da manipulação ótica. Em voos espaciais, engenheiros propuseram velas para capturar a força exercida pela luz.
Em vez de rebocar naves espaciais, o raio atrator proposto recentemente pode ser mais útil para a biologia ou medicina. “Se você quiser puxar algo em sua direção, é só reduzir a pressão”, explica Mordechai Segev, físico do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel, que descreve a ideia de sua equipe em um artigo de abril na Optics Express. “Cria-se um pouco de vácuo”, adiciona ele. O problema é que em aplicações médicas delicadas, como cirurgias de pulmão, é importante não mudar a pressão e nem introduzir gases novos. “Nesse caso a luz seria um dispositivo de sucção”, observa o pesquisador, “então a pressão não se alteraria de forma nenhuma, apenas a luz”.
As ideias anteriores para um “raio atrator” geralmente se concentravam em criar novos campos gravitacionais para arrastar objetos e aquecer o ar para criar diferenças de pressão ou induzir cargas elétricas e magnéticas em objetos, para que eles se movessem na direção de um raio laser.
A proposta mais recente faz proveito de um fenômeno chamado pressão negativa de radiação. O físico russo Victor Veselago teorizou sobre a existência desse fenômeno em seu artigo de 1967, sobre materiais com uma propriedade incomum chamada de índice de refração negativo. Um índice de refração é um número que descreve a forma com que a luz é curvada quando passa por uma lente de vidro ou outro meio – quando o artigo foi publicado ninguém sabia se esse número poderia ser negativo em algum material. Nas últimas décadas, porém, várias equipes de pesquisadores provaram que a refração negativa pode ocorrer em substâncias especificamente produzidas, chamadas de metamateriais, o que levou a capas de invisibilidade limitada e a “super” lentes livres de distorção.
O mecanismo de pressão negativa de radiação depende de dois aspectos das ondas de luz: suas velocidades de fase e de grupo. Uma onda de luz consiste em grupos de ondas menores; a velocidade de grupo é a velocidade e direção do grupo de ondas em geral. A velocidade de fase, por sua vez, refere-se à velocidade e direção de um ponto em uma das ondas constituintes. A energia eletromagnética da onda de luz acompanha a direção da velocidade de grupo, enquanto o efeito da onda sobre uma partícula vai em direção à velocidade de fase. Se essas duas velocidades apontam em direções diferentes, a pressão negativa de radiação pode surgir.

O uso de metamateriais para mover partículas por meio da pressão negativa de radiação foi limitado porque muitos desses materiais são sólidos, e introduzir um intervalo para partículas eliminaria a pressão negativa de radiação. Além disso, todos os metamateriais atuais contêm metais, que absorvem energia eletromagnética, o que torna o efeito atrativo sobre partículas desprezível.
Em vez de usar metamateriais, a equipe do Technion propõe um guia de ondas feito de materiais com uma propriedade chamada de birrefringência para criar os efeitos ópticos necessários. A birrefringência, que ocorre naturalmente em cristais como quartzo e calcita, descreve materiais que têm índices de refração múltiplos dependendo da direção em que a luz entre neles. Se colocarmos um cristal de calcita sobre um jornal, a imagem ficará dobrada.
O projeto de Segev e seu grupo usa camadas de materiais com diferentes tipos de birrefringência, além de espelhos especialmente projetados, para fazer um modelo prático de como a pressão negativa de radiação pode ser alcançada. Nesse guia de ondas as velocidades de grupo e de fase não se moveriam em direções opostas. Além disso, ele inclui um grande intervalo entre as camadas. Esse intervalo, que não interfere com as propriedades ópticas do material, permite a introdução de partículas para serem puxadas para o guia de ondas. “É como um sanduíche”, compara Segev.
O projeto proposto pode usar uma variedade de materiais birrefringentes, que são disponíveis e não contêm metais, e por isso não roubam muita energia da luz. Além disso, apesar de os materiais birrefringentes que seriam usados terem apenas micrômetros de espessura, o intervalo teria milímetros de largura, permitindo que partículas relativamente grandes fossem manipuladas pela luz.
Viktor Podolskiy, um físico da University of Massachusetts Lowell, que não fez parte da pesquisa, explica que tanto a abordagem dos metamateriais quanto a da birrefringência resolvem problemas diferentes na criação de pressão negativa de radiação e têm vantagens e desvantagens diferentes. “Os metamateriais resolvem vários problemas quando se tenta confinar a luz a espaços menores, especiais”, elucida Podolskiy. Em contraste, a abordagem da birrefringência “faz o oposto: traz a refração negativa para o nível de objetos de grande escala”. As duas abordagens podem vir a ter aplicações práticas.
Jack Ng, professor assistente de pesquisa da Hong Kong University de Ciência e Tecnologia que trabalhou na proposta do raio atrator envolvendo a indução de cargas, aponta que o estudo pode ter algumas ideias interessantes, mas também algumas falhas. Por exemplo, apesar de o grupo ter mostrado que a transferência de energia pode ser negativa, “não mostrou que a força pode ser negativa”. Em outras palavras, as partículas podem não se mover.
De qualquer forma, existem várias ideias sobre a geração de pressão negativa de radiação no papel; o laboratório de Segev sequer têm os recursos necessários para criar o guia de ondas proposto. Segev, no entanto, diz que várias empresas podem produzir os materiais necessários e que os pesquisadores esperam encontrar uma delas em breve para poderem testar seu projeto experimentalmente. Até lá, as partículas terão que esperar para sentirem a emoção de serem levadas para a luz.

 Flickr/alanymchan

Nova proposta de “raio atrator” aproveitaria a energia da luz.

Fonte : Inovação Tecnológica