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Equipe da Universidade Tecnológica de Nanyang utilizou a mancha de Poisson para produzir simultaneamente skyrmions de spin, de Stokes, de campo elétrico e de campo magnético, dispensando metamateriais sofisticados e criando uma alternativa mais simples para controlar tamanho, forma e comportamento dessas estruturas luminosas.
Skyrmions ópticos foram produzidos por cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Singapura, com um laser e um pequeno disco circular. Publicado na revista Optica, o método recupera um fenômeno conhecido há mais de 200 anos e dispensa metamateriais caros e complexos.
Skyrmions ópticos surgem com configuração mais simples
Os skyrmions ópticos são minúsculos padrões giratórios e estáveis formados pelas propriedades da luz. Sua estrutura costuma ser comparada aos espinhos de um ouriço e pode codificar e armazenar informações.
Por essa característica, os pesquisadores consideram essas estruturas promissoras para futuras tecnologias de armazenamento de dados, comunicação e computação. Contudo, os métodos tradicionalmente utilizados em sua produção dependem de metamateriais caros, sofisticados e projetados artificialmente.
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A equipe da NTU Singapura encontrou uma alternativa mais simples. Os pesquisadores direcionaram um laser para um pequeno disco circular e conseguiram produzir, estudar e controlar as estruturas complexas sem recorrer aos sistemas usados anteriormente.
As descobertas foram lideradas pelo professor assistente Shen Yijie, da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas e da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da NTU.
Segundo Shen, o aspecto marcante do trabalho é a possibilidade de gerar skyrmions usando apenas o efeito pelo qual a luz se curva ao redor de um objeto, sem metamateriais artificiais caros ou técnicas altamente especializadas.
O professor afirmou que a redução dessa barreira técnica pode tornar os skyrmions ópticos mais acessíveis. O método cria novas possibilidades de investigação nas áreas de óptica, materiais e computação.
Experimento clássico de 200 anos ganha nova função
A inovação recupera a mancha de Poisson, fenômeno óptico no qual um ponto brilhante aparece no centro da sombra produzida por um objeto circular iluminado por uma fonte coerente de luz, como um laser.
Esse fenômeno teve papel importante no debate científico do início do século XIX. Naquele período, discutia-se se a luz viajava somente como partículas em linha reta ou também se comportava como ondas capazes de se curvar e espalhar.
A teoria ondulatória previa o surgimento de um ponto brilhante no centro da sombra do disco, justamente onde seria esperada escuridão completa. A observação ofereceu evidências convincentes da difração da luz.
A difração acontece quando a luz se curva e se espalha ao contornar objetos ou atravessar pequenas aberturas. Mais de 200 anos depois, esse efeito passou a sustentar uma maneira simplificada de criar estruturas topológicas luminosas.
Quatro tipos aparecem simultaneamente
No meio do experimento com skyrmions ópticos, os cientistas verificaram que a configuração da mancha de Poisson produzia naturalmente até quatro padrões de campo topológico relacionados ao mesmo tempo.
Foram observados skyrmions de spin, skyrmions de Stokes, skyrmions de campo elétrico e skyrmions de campo magnético. O spin corresponde às propriedades de rotação da luz.
Os parâmetros de Stokes descrevem a polarização, isto é, a direção na qual as ondas luminosas vibram enquanto se propagam. Já os outros padrões estão relacionados aos vetores dos campos elétrico e magnético da luz.
A produção simultânea permite comparar como diferentes skyrmions se formam, evoluem e interagem dentro do mesmo campo luminoso. Simulações computacionais mostraram estruturas compostas por conjuntos giratórios de setas.
As setas representam as mudanças de direção das diferentes propriedades da luz ao longo da mancha de Poisson. Conforme os pesquisadores, os componentes estão intimamente ligados, mas não formam necessariamente padrões topológicos idênticos.
Controle pode alcançar tamanho, forma e comportamento
A luz reúne propriedades manipuláveis como intensidade, fase, polarização, spin e vetores de campo elétrico e magnético. Essas características podem ser organizadas em padrões topológicos que permanecem estáveis mesmo quando são esticados ou distorcidos.
Ao ajustar as condições responsáveis por moldar o campo luminoso, os cientistas podem conseguir controlar precisamente o tamanho, a forma e o comportamento dos skyrmions ópticos.
Shen explicou que vários tipos de vetores ópticos podem formar estruturas topológicas simultaneamente no ponto luminoso criado pela equipe. A comparação pode revelar novas ligações entre propriedades elétricas, magnéticas e outras características físicas da luz.
Os skyrmions foram propostos inicialmente na física de partículas e nuclear. Depois, tornaram-se uma área importante de pesquisa na física da matéria condensada e no estudo de materiais magnéticos.
Mais recentemente, cientistas passaram a investigar skyrmions ópticos como estruturas estáveis, semelhantes a partículas, existentes em campos luminosos. A nova configuração pode ampliar o acesso a esse campo de pesquisa.
O trabalho fornece uma base para futuros estudos sobre luz topológica e pode contribuir para avanços em fotônica, materiais avançados, processamento de informações e computação de próxima geração, mantendo os skyrmions ópticos no centro dessas possíveis aplicações.
