Antenas de luz podem acabar com limites na transmisso de dados

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 19/03/2021

Multiplexao da luz

Em vrios aspectos, o emergente campo da computao com luz est reproduzindo os passos que a computao eletrnica deu dcadas atrs.

A multiplexao deu impulso ao ento nascente campo das telecomunicaes ao permitir que vrias mensagens trafegassem ao mesmo tempo no mesmo canal de transmisso, seja um fio de telgrafo, uma linha telefnica ou uma fibra ptica.

Agora, pesquisadores da Universidade da Califrnia em Berkeley descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que pode aumentar radicalmente a quantidade de dados que essas ondas transportam.

O novo trabalho deixa em aberto a quantidade de informao que pode ser multiplexada, ou transmitida simultaneamente, por uma fonte de luz coerente.

Eles fizeram sua demonstrao usando luz torcida, feixes de laser que giram sobre o prprio eixo, emitida por minsculas antenas feitas de anis concntricos, com o dimetro aproximado ao de um fio de cabelo humano, pequenas o suficiente para serem colocados dentro de chips de computador.

” a primeira vez que os lasers que produzem luz torcida so multiplexados diretamente. A tecnologia que estamos relatando supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma caracterstica da luz chamada momento angular orbital. uma virada de jogo, com aplicaes em imagens biolgicas, criptografia quntica, comunicaes de alta capacidade e sensores,” disse o professor Boubacar Kant. “Estamos experimentando uma exploso de dados em nosso mundo, e os canais de comunicao que temos agora sero insuficientes para o que precisamos.”

Infinitos canais na luz

O avano importante porque os mtodos atuais de transmisso de sinais por meio de ondas eletromagnticas esto atingindo seu limite.

A frequncia, por exemplo, ficou saturada, e por isso que h tanta interferncia entre estaes no rdio. A polarizao, em que as ondas de luz so separadas em dois valores – horizontal ou vertical – pode dobrar a quantidade de informaes transmitidas. Os cineastas tiram vantagem disso ao criar filmes 3D, permitindo que os espectadores com culos especiais recebam dois conjuntos de sinais – um para cada olho – para criar um efeito estereoscpico e a iluso de profundidade.

Mas, alm da frequncia e da polarizao, a luz possui um momento angular orbital, ou MAO, uma propriedade da luz que atraiu a ateno dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmisso de dados. Uma maneira de pensar sobre o momento angular da luz compar-lo ao vrtice de um tornado, da o nome “luz torcida”.

“O vrtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princpio, suportar uma quantidade ilimitada de dados,” disse Kant. “O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir confiavelmente o nmero infinito de feixes MAO. Ningum jamais produziu feixes MAO de cargas to altas em um dispositivo to compacto antes.”

As antenas de luz so topolgicas, ou seja, tudo o que importa a sua superfcie, o que permite sua insero no interior dos chips.
[Imagem: Babak Bahari et al. – 10.1038/s41567-021-01165-8]

Antenas topolgicas e nmeros qunticos

Para obter seu avano, a equipe usou antenas topolgicas, o que significa que suas propriedades essenciais esto em sua superfcie, sendo mantidas mesmo quando o dispositivo torcido ou dobrado.

Usando litografia de feixe de eltrons, a equipe gravou um padro de grade em fosfeto de arseneto de glio e ndio, um material semicondutor, e ento colou a estrutura sobre uma superfcie feita de granada de trio e ferro.

Os pesquisadores projetaram a grade para formar poos qunticos em um padro de trs crculos concntricos – o maior com cerca de 50 micrmetros de dimetro – para capturar os ftons. Isso criou condies para a emergncia de um fenmeno conhecido como efeito Hall quntico fotnico, que descreve o movimento dos ftons quando um campo magntico aplicado, forando a luz a viajar em apenas uma direo nos anis.

“As pessoas pensaram que o efeito Hall quntico com um campo magntico poderia ser usado em eletrnica, mas no em ptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequncias pticas,” disse Kant. “Somos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quntico funciona para a luz.”

Na demonstrao, a equipe gerou feixes de laser com at 276 voltas ao longo de seu eixo em cada comprimento de onda – ou 276 nmero qunticos, como os fsicos dizem.

“Ter um nmero quntico maior como ter mais letras para usar no alfabeto,” comparou Kant. “Estamos permitindo que a luz expanda seu vocabulrio. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicaes, mas, em princpio, ela pode ser adaptada a outras bandas de frequncia. Embora tenhamos criado trs lasers, multiplicando a taxa de dados por trs, no h limite para o nmero possvel de feixes e capacidade de dados.”

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