Teste da antena que não irradia para o campo distante, mas opera precisamente no campo próximo.
[Imagem: Esmaeel Zanganeh et al. (2021)]

Antena que não irradia

Físicos criaram o que pode parecer uma contradição nos próprios termos: uma antena não-irradiante.

Uma antena é um componente para irradiar ondas eletromagnéticas, principalmente para ondas na frequência de rádio, mas aqui estamos falando de uma fonte não-radiante de eletromagnetismo.

Ao colocar antenas comuns dentro de um disco dielétrico oco, os pesquisadores exploraram fenômenos de interferência para criar um "meta-átomo" não-radiativo que mantém as ondas em um espaço delimitado, conhecido como campo próximo, em vez de enviá-las por longas distâncias.

Longe de ser uma curiosidade científica, esta técnica pode ter aplicações em várias áreas, incluindo o sensoriamento e a transferência de eletricidade sem fios.

Anapolos

Esmaeel Zanganeh, da Universidade ITMO, na Rússia, estava trabalhando nos chamados anapolos, do grego "sem pólos" - esses campos eletromagnéticos sem polaridade têm sido propostos até mesmo como uma potencial fonte da misteriosa matéria escura.

O experimento consiste em uma antena irradiante comum colocada dentro de um disco espesso e oco, parecido com um rolo de fita adesiva. O disco é feito de um dielétrico (isolante) de permissividade (capacidade de se polarizar em resposta a um campo elétrico) extremamente alta, o que permite que o disco seja menor do que o comprimento de onda da radiação que ele emite.

A ideia é que as ondas eletromagnéticas da antena interfiram destrutivamente com as ondas secundárias produzidas pela corrente elétrica induzida no disco, produzindo assim uma fonte não-irradiante. E deu certo, algo que ninguém havia conseguido fazer até hoje.

Antena não radiante

O componente vertical medido e simulado das distribuições do campo elétrico próximo 1,5 cm acima da fonte não radiante.
[Imagem: Esmaeel Zanganeh et al. (2021)]

Zanganeh construiu uma antena dipolo de cobre, com 25 milímetros (mm) de comprimento e a colocou dentro de um disco isolante de 20 mm de diâmetro. Na frequência de ressonância do disco - 375 MHz - a irradiação foi ligeiramente mais potente do que a antena isoladamente.

Contudo, quando o sistema foi posto para operar em uma frequência um pouco mais alta - 411 MHz - a potência irradiada foi 10 milhões de vezes menor do que a irradiação da antena sem cobertura - para todos os efeitos práticos, uma antena não-irradiante.

A equipe fez os testes também no campo magnético, usando uma antena magnética circular - também conhecida como antena loop, ela intercepta o campo magnético das ondas eletromagnéticas. Do mesmo modo, quando a antena é levada para longe de sua frequência ressonante, a potência magnética irradiada cai para perto de zero, embora a uma taxa menor - uma redução de cerca mil vezes.

Os pesquisadores acreditam que sua antena não-radiante pode ter várias aplicações práticas, incluindo a detecção, identificação por radiofrequência ou mesmo a transferência de energia sem fios, escreveram eles.

Os meta-átomos têm sido largamente utilizados nos metamateriais, mas também já serviram para fazer a luz viajar em velocidade infinita e como qubits gêmeos.
[Imagem: NUST/MISIS]

Meta-átomos

Uma curiosidade que vale a pena ser lembrada é que a antena não-irradiante é um meta-átomo, uma espécie de átomo artificial que ocupa a mente da comunidade científica há décadas.

Quando James Clerk Maxwell desenvolveu suas equações sobre eletromagnetismo - que estão na base de toda a tecnologia moderna -, ficou claro que cargas elétricas em aceleração (elétrons) irradiam energia na forma de ondas eletromagnéticas. Mas isso virou uma pedra no sapato para os físicos do início do século 20, que não entendiam como os átomos eram estáveis se, ao seguir órbitas em torno dos núcleos atômicos, os elétrons deveriam perder energia eletromagnética continuamente.

A resposta para esse problema foi dada pelo modelo do átomo de Niels Bohr e pelo desenvolvimento da mecânica quântica - em particular, pela ideia de que os elétrons só podem ocupar certos níveis discretos de energia.

Foi aí que alguns físicos se perguntaram se seria possível criar "meta-átomos" clássicos, objetos macroscópicos contendo correntes alternadas que confinam a energia eletromagnética que geram e, assim, evitam a emissão para o campo distante. Isso exigia a existência de anapolos, momentos eletromagnéticos sem quaisquer pólos, previstos em 1957 por Yakov Zeldovich e demonstrados experimentalmente a partir dos anos 1990.

Em termos práticos, os anapolos podem ser gerados ajustando as distribuições de carga no tempo e no espaço. Essas distribuições são representadas como uma série de multipolares elétricos e magnéticos semelhantes a pontos, cujas emissões interferem destrutivamente no campo distante, deixando a energia eletromagnética confinada em um pequeno espaço ao redor das fontes. Exatamente como na antena não-radiante.