Os agora famosos metamateriais – aqueles dos mantos de invisibilidade – podem viabilizar uma nova mgica.
Usando esses materiais artificiais para manipular as ondas eletromagnticas, pesquisadores descobriram como controlar a radiao termal para criar um feixe coerente de calor – uma espcie de laser de calor.
As minsculas antenas na superfcie desse metamaterial transformam a radiao infravermelha emitida por um objeto quente em um feixe de luz com qualquer frequncia, polarizao ou forma da frente de onda desejada, gerando uma emisso semelhante a um laser a partir de uma simples entrada de calor.
A capacidade de controlar a emisso trmica pode levar a novas fontes de luz que no requerem eletricidade.
“O sonho ter alguma forma de radiao prxima a um laser, mas que venha de uma fonte trmica, que voc pode simplesmente esquentar,” disse o professor Andrea Al, da Universidade Cidade de Nova York, um dos pioneiros no projeto dos metamateriais e metassuperfcies.
Controle da radiao termal
A estratgia baseada no crescente campo das metassuperfcies, que so arranjos de minsculos elementos pticos que atuam de forma coordenada na luz que incide sobre elas.
O projeto da metassuperfcie trmica consiste em uma srie de pilares de silcio cujos tamanhos so menores do que o comprimento de onda de sada desejado. Cada pilar tem uma seo transversal elptica, de modo que a radiao trmica emitida ao longo de seu eixo longo difere daquela emitida ao longo de seu eixo menor. Selecionando cuidadosamente a orientao de cada pilar, os pesquisadores conseguem moldar a emisso trmica de ponto a ponto ao longo da superfcie.
Isso j vem sendo feito h bastante tempo usando a luz de lasers, uma vez que esse arranjo exige que a emisso de cada nanoantena seja coerente com a de seus vizinhos, ou seja, as ondas de luz devem estar sincronizadas.
Agora, Adam Overvig e seus colegas conseguiram projetar uma metassuperfcie que faz o mesmo com as emisses de calor, que no so coerentes.
Para isso, a equipe usou um conhecido efeito de ressonncia coletiva que ocorre em superfcies engenheiradas, como as grades pticas e cristais fotnicos. Esse efeito retm temporariamente a luz na superfcie, criando uma interferncia cruzada entre regies separadas que faz com que a luz emitida fique sincronizada.
Organizando as nanoantenas em um padro de bicamada em grande escala, a equipe descobriu ser possvel gerar esse comportamento no-local sem perder o controle local, explorando para isso a orientao das antenas individuais. “Nossa proposta uma forma de realmente dotar uma metassuperfcie com controle completo sobre a emisso trmica,” disse o professor Al.
Para construir o laser de calor ser necessrio construir nanoantenas sobrepostas, formando duas camadas.
[Imagem: Adam C. Overvig et al. – 10.1103/PhysRevX.11.021050]
Mo na massa
A equipe gerou uma espcie de “alfabeto” de padres de antenas que os engenheiros podem programar em uma superfcie para gerar qualquer sada desejada de emisso trmica, como transformar o calor em um feixe quase monocromtico ou concentr-lo em um ponto. Eles tambm desenvolveram uma metassuperfcie que pode dar uma toro na frente da onda – chamada de momento angular orbital – da emisso trmica de um objeto.
Como os projetos de metassuperfcies e metamateriais so muito precisos e a tecnologia para fabricao das nanoantenas est disponvel em larga escala, agora s esperar que os engenheiros experimentem as “receitas de bolo” publicadas pela equipe. A nica etapa um pouco mais complicada que os nanoantenas precisaro estar empilhadas, formando duas camadas sobrepostas.Bibliografia:
Artigo: Thermal Metasurfaces: Complete Emission Control by Combining Local and Nonlocal Light-Matter Interactions
Autores: Adam C. Overvig, Sander A. Mann, Andrea Al
Revista: Physical Review X
Vol.: 11, 021050
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.021050
