Grande parte da vida moderna depende da codificação de informações em meios de entregá-las. Um método comum é codificar dados em luz laser e enviá-los por cabos ópticos. A crescente demanda por mais capacidade de informação exige que constantemente encontremos melhores maneiras de codificá-la.

Pesquisadores do Departamento de Física Aplicada da Universidade Aalto descobriram uma nova maneira de criar pequenos furacões de luz — conhecidos pelos cientistas como vórtices — que podem transportar informações. O método é baseado na manipulação de nanopartículas metálicas que interagem com um campo elétrico .

O método de design , pertencente a uma classe de geometrias conhecidas como quasicristais, foi concebido pelo pesquisador de doutorado Kristian Arjas e realizado experimentalmente pela pesquisadora de doutorado Jani Taskinen, ambos do grupo de dinâmica quântica do professor Päivi Törmä. A descoberta representa um passo fundamental à frente na física e carrega o potencial para maneiras inteiramente novas de transmitir informações.

O estudo foi publicado na revista Nature Communications .

Um vórtice é — neste caso — como um furacão que ocorre em um feixe de luz, onde um centro calmo e escuro é cercado por um anel de luz brilhante. Assim como o olho de um furacão é calmo devido aos ventos ao redor dele soprando em direções diferentes, o olho do vórtice é escuro devido ao campo elétrico de luz brilhante apontando para direções diferentes em lados diferentes do feixe.

Pesquisas físicas anteriores conectaram que tipo de vórtices podem aparecer com quanta simetria há na estrutura que os produz. Por exemplo, se partículas na nanoescala são organizadas em quadrados, a luz produzida tem um único vórtice; hexágonos produzem um vórtice duplo e assim por diante. Vórtices mais complexos requerem pelo menos formas octogonais.

Agora Arjas, Taskinen e a equipe descobriram um método para criar formas geométricas que teoricamente suportam qualquer tipo de vórtice.

"Esta pesquisa é sobre a relação entre a simetria e a rotacionalidade do vórtice, ou seja, que tipos de vórtices podemos gerar com que tipos de simetrias. Nosso design quasicristal está no meio do caminho entre a ordem e o caos", diz Törmä.

Em seu estudo, o grupo manipulou 100.000 nanopartículas metálicas, cada uma aproximadamente do tamanho de um centésimo de um único fio de cabelo humano , para criar seu design exclusivo. A chave estava em encontrar onde as partículas interagiam menos com o campo elétrico desejado, em vez de mais.

"Um campo elétrico tem pontos quentes de alta vibração e pontos onde ele está essencialmente morto. Introduzimos partículas nos pontos mortos, o que desligou todo o resto e nos permitiu selecionar o campo com as propriedades mais interessantes para aplicações", diz Taskinen.

A descoberta abre uma riqueza de pesquisas futuras no campo muito ativo do estudo topológico da luz. Ela também representa os primeiros passos para uma maneira poderosa de transmitir informações em domínios onde a luz é necessária para enviar informações codificadas, incluindo telecomunicações.

"Poderíamos, por exemplo, enviar esses vórtices por cabos de fibra óptica e desempacotá-los no destino. Isso nos permitiria armazenar nossas informações em um espaço muito menor e transmitir muito mais informações de uma vez. Um palpite otimista de quanto seria de oito a dezesseis vezes a informação que podemos entregar agora por fibra óptica", diz Arjas.

Aplicações práticas e escalabilidade do design da equipe provavelmente levarão anos de engenharia. O grupo Quantum Dynamics da Aalto, no entanto, tem as mãos ocupadas com pesquisas sobre supercondutividade e melhoria de LEDs orgânicos.

O grupo usou a infraestrutura de pesquisa OtaNano para tecnologias nano, micro e quânticas em seu estudo.