Engenheiros de Stanford e seus colegas projetaram um chip capaz de receber uma mistura confusa de luz proveniente de múltiplos lasers e emitir feixes de luz nítidos.

É a primeira vez que pesquisadores demonstram um dispositivo capaz de captar luz mista, ou parcialmente coerente, e separar seus fótons em um conjunto distinto de feixes distintos. A descoberta, publicada em 30 de outubro na revista Nature Photonics , fundamenta teorias da física há muito defendidas e, ao mesmo tempo, abre um caminho singular para observar o mundo ao nosso redor, com aplicações potenciais em microscopia, astronomia e outras áreas.

“Estamos demonstrando experimentalmente, pela primeira vez, coisas que foram concebidas originalmente na década de 1980”, disse a coautora principal Annie Kroo , doutoranda em engenharia elétrica. “Este trabalho tem um enorme impacto em diversas aplicações, pois nos permite pensar sobre as coisas de uma maneira totalmente nova.”

Uma lâmpada é uma fonte de luz incoerente, enquanto um laser é uma fonte coerente, explicou Kroo. Aponte um laser através de uma malha e a luz na superfície oposta formará um padrão pontilhado. Segure uma lâmpada contra a mesma malha e surgirá uma grade mais suave e difusa. Os fótons do laser oscilam todos juntos, disse Kroo, resultando em formas mais nítidas na parede porque, em algumas áreas, a luz se soma e, em outras, se cancela. Os fótons da lâmpada, por outro lado, oscilam dessincronizados, resultando em um padrão difuso.

Pesquisadores querem desvendar os diferentes ritmos contidos na luz emitida por lâmpadas incandescentes para possibilitar novos tipos de comunicação, computação e sensoriamento. "Vemos uma nova oportunidade na óptica, que é explorar a verdadeira natureza da luz, que é parcialmente coerente, e usá-la para diversas aplicações", disse o coautor Charles Roques-Carmes , professor assistente do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria e ex-bolsista de ciências de Stanford. "Para isso, é preciso decompô-la em pacotes de luz que sejam mutuamente incoerentes, ou estatisticamente não correlacionados."

Para testar essa possibilidade, a equipe usou um chip fotônico do tamanho de uma unha. Os chips fotônicos canalizam fótons para processamento de dados de forma semelhante a como os microchips em laptops e celulares usam elétrons. Embora esses chips baseados em luz tenham se tornado menores e mais poderosos nos últimos anos, controlar as partículas em seu interior ainda é um desafio. "Você pode criar componentes ópticos melhores colocando-os em um chip, assim como pode criar componentes eletrônicos melhores colocando-os em um chip", disse o coautor Olav Solgaard , professor de Engenharia Audrey S. Hancock em Stanford.

Em seu experimento, os pesquisadores apontaram dois lasers infravermelhos para o chip, misturando as fontes de luz. A luz combinada era parcialmente coerente, o que significa que as oscilações dos fótons se alinhavam por um curto período, mas acabavam se dessincronizando. Internamente, os algoritmos e a arquitetura do chip classificavam automaticamente a luz com base em suas fontes.

Em seguida, o chip produziu os feixes de luz separados. Os pesquisadores direcionaram esses feixes através de um dispositivo que os misturava para verificar se a intensidade resultante se somaria, mas os dois feixes não se sincronizaram, demonstrando que eram feixes de luz independentes e completamente incoerentes entre si. Encorajada, a equipe adicionou um terceiro laser à entrada. Mesmo assim, o chip conseguiu separar a mistura em feixes puros. "Se você observar as saídas, elas estão completamente dessincronizadas; não há absolutamente nenhuma correlação", disse o coautor principal Paul-Alexis Mor, pesquisador visitante do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria e estudante de engenharia do Corpo de Minas da França.

Os algoritmos dentro do chip determinaram as assinaturas únicas na luz parcialmente coerente, permitindo que ele separasse os componentes coerentes, disse o coautor David Miller , professor emérito de Engenharia Elétrica WM Keck de Stanford.

“Nosso chip aprende os modos de coerência subjacentes de um campo de luz desconhecido e os direciona fisicamente para saídas separadas”, disse o coautor Shanhui Fan , professor Joseph e Hon Mai Goodman em Stanford. “Isso nos dá uma maneira de analisar a coerência espacial da luz, mantendo a luz separada disponível para processamento posterior.”

Separar a luz mista em seus componentes coerentes pode permitir que os pesquisadores extraiam mais informações da luz do que até mesmo as câmeras mais sofisticadas. Quando renderizadas em uma imagem bidimensional de uma câmera, as fontes de luz sobrepostas tendem a se agrupar.

Por exemplo, sob um microscópio, se duas partículas fluorescentes estiverem sobrepostas, elas podem aparecer como uma só em imagens tradicionais. Mas esse método baseado em chip fotônico poderia, em princípio, distinguir a luz proveniente de diferentes fontes. "Mesmo que estejam espacialmente sobrepostas, a informação contida na luz indica que existem fontes de luz diferentes", disse Kroo.

Miller, Solgaard e Kroo estão agora colaborando com a NASA para verificar se a nova tecnologia poderia sondar a luz de galáxias distantes. A luz que aparece como uma única mancha em um telescópio pode, na verdade, conter filamentos distintos emitidos por estrelas e exoplanetas diferentes, por exemplo.

“Grande parte da informação em nosso mundo está na forma de luz”, disse Kroo. “A luz é um meio excelente para medir coisas no ambiente.”