Laser de calor

Os agora famosos metamateriais - aqueles dos mantos de invisibilidade - podem viabilizar uma nova mágica.

Usando esses materiais artificiais para manipular as ondas eletromagnéticas, pesquisadores descobriram como controlar a radiação termal para criar um feixe coerente de calor - uma espécie de laser de calor.

As minúsculas antenas na superfície desse metamaterial transformam a radiação infravermelha emitida por um objeto quente em um feixe de luz com qualquer frequência, polarização ou forma da frente de onda desejada, gerando uma emissão semelhante a um laser a partir de uma simples entrada de calor.

A capacidade de controlar a emissão térmica pode levar a novas fontes de luz que não requerem eletricidade.

"O sonho é ter alguma forma de radiação próxima a um laser, mas que venha de uma fonte térmica, que você pode simplesmente esquentar," disse o professor Andrea Alù, da Universidade Cidade de Nova York, um dos pioneiros no projeto dos metamateriais e metassuperfícies.

Controle da radiação termal

A estratégia é baseada no crescente campo das metassuperfícies, que são arranjos de minúsculos elementos ópticos que atuam de forma coordenada na luz que incide sobre elas.

O projeto da metassuperfície térmica consiste em uma série de pilares de silício cujos tamanhos são menores do que o comprimento de onda de saída desejado. Cada pilar tem uma seção transversal elíptica, de modo que a radiação térmica emitida ao longo de seu eixo longo difere daquela emitida ao longo de seu eixo menor. Selecionando cuidadosamente a orientação de cada pilar, os pesquisadores conseguem moldar a emissão térmica de ponto a ponto ao longo da superfície.

Isso já vem sendo feito há bastante tempo usando a luz de lasers, uma vez que esse arranjo exige que a emissão 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 metassuperfície que faz o mesmo com as emissões de calor, que não são coerentes.

Para isso, a equipe usou um conhecido efeito de ressonância coletiva que ocorre em superfícies engenheiradas, como as grades ópticas e cristais fotônicos. Esse efeito retém temporariamente a luz na superfície, criando uma interferência cruzada entre regiões separadas que faz com que a luz emitida fique sincronizada.

Organizando as nanoantenas em um padrão de bicamada em grande escala, a equipe descobriu ser possível gerar esse comportamento não-local sem perder o controle local, explorando para isso a orientação das antenas individuais. "Nossa proposta é uma forma de realmente dotar uma metassuperfície com controle completo sobre a emissão térmica," disse o professor Alù.

Para construir o laser de calor será necessário construir nanoantenas sobrepostas, formando duas camadas.
[Imagem: Adam C. Overvig et al. - 10.1103/PhysRevX.11.021050]

Mão na massa

A equipe gerou uma espécie de "alfabeto" de padrões de antenas que os engenheiros podem programar em uma superfície para gerar qualquer saída desejada de emissão térmica, como transformar o calor em um feixe quase monocromático ou concentrá-lo em um ponto. Eles também desenvolveram uma metassuperfície que pode dar uma torção na frente da onda - chamada de momento angular orbital - da emissão térmica de um objeto.

Como os projetos de metassuperfícies e metamateriais são muito precisos e a tecnologia para fabricação das nanoantenas está disponível em larga escala, agora é só esperar que os engenheiros experimentem as "receitas de bolo" publicadas pela equipe. A única etapa um pouco mais complicada é que os nanoantenas precisarão estar empilhadas, formando duas camadas sobrepostas.