Luz, partícula, onda: a engenharia optrônica

[e-s001]Falta pouco para que computadores, tablets e smartphones se tornem artefatos invisíveis, movidos à luz. Externamente, não mudarão muito, mas seu funcionamento será muito mais rápido e consumindo menos energia elétrica, graças ao desenvolvimento de um novo conjunto de tecnologias para manipular a luz em escala microscópica.

Essas novas tecnologias já permitem a construção de componentes eletro-ópticos que substituirão os de silício convencionais, os chamados nanofotônicos de silício. Nesses componentes, a troca de informações deve ocorrer sem a conversão de energia elétrica em calor (Luz, pesquisa Fapesp, setembro.2015).

Todo este processo de evolução começou em 1916, quando Albert Einstein descobriu que um átomo, ao interagir com a luz, pode ser estimulado a emitir mais luz. E quando se encontra na presença de um fóton, um átomo que ganhou energia emite outro fóton com a mesma energia do primeiro. É o principio do laser (light amplification by stimulated emission of radiation).

Antes da invenção do laser, James Maxwell (1865) sintetizou as leis da eletricidade e do magnetismo em quatro equações. As equações de Maxwell reuniram numa mesma descrição a eletricidade, o magnetismo e a óptica, até então especialidades separadas, tendo constituído uma das mais bem-sucedidas teorias de unificação da física. Com a formulação de Maxwell, a luz adquiriu uma consistência científica que nos permitiu entender, de forma inédita, como a luz interage com a matéria e suas diversas propriedades. A identificação da natureza elétrica e magnética da luz foi um dos desenvolvimentos mais brilhantes da física moderna.

A invenção do laser só foi possível após a compreensão da natureza da luz no final do século XX, após o desenvolvimento da teoria da mecânica quântica. De acordo com a teoria quântica, um feixe de luz é feito de milhões de fótons, entidades elementares cuja natureza é ambígua, podendo se comportar ora como ondas, ora como partículas.

O laser transformou a pesquisa básica e permitiu que os físicos explorassem as propriedades da matéria por meio de espectroscopia e da óptica não linear, explorando fenômenos como os modos normais de vibração da matéria, e a mudança de frequências de oscilações. Com esses resultados, podem-se fabricar estruturas micro e nanométricas em vidros e polímeros orgânicos, os quais os pesquisadores tentam tornar compatíveis com as feitas de Silício.

[e-s001]Um meio de se propagar a luz por longa distância sem perda de energia é utilizando fibra óptica. As fibras ópticas são canais flexíveis feitos de vidro comum, no qual a luz se propaga em seu interior por múltiplas reflexões. Hoje, mais de um bilhão de quilômetros de fibras ópticas conectam computadores do mundo todo, fato que seria impossível se usássemos cabos elétricos de metais. Em cabos de metais se utiliza a vibração da rede cristalina provocada pelo elétron para transporte de sinal. Estas oscilações dos elétrons ocasionam perda de energia, em especial provocada pelo efeito Joule, energia transformada em calor.

[e-s001]Outra propriedade fundamental é que uma única fibra óptica pode transmitir múltiplos dados codificados em sinais de luz com frequências diferentes, graças a componentes ópticos chamados de multiplexadores.

[e-s001]Vários são os exemplos que podemos citar de onde se utiliza a luz. Começando pela luz do Sol, fonte de energia e vida do nosso planeta, da qual todos os seres vivos dependem para captar e transformar em energia. Quem não se maravilha quando observamos as cores do arco-iris, das flores, do céu, dos mares, a luz refratada em uma bolha de sabão, a luz do Sol refletida nos planetas, a luz das estrelas?

Descrever detalhes sobre as inúmeras implicações científicas e tecnológicas do nosso conhecimento sobre a luz é incomensurável, considerando que o chamamos luz, compreende um vasto leque de radiações eletromagnéticas desde as menores energias, como as ondas de rádio e micro-ondas, passando pelo infravermelho, visível e ultravioleta, até as maiores, presentes nos raios-X e as radiações gama.

Umas das aplicações às quais se faz imprescindível mencionar é a técnica que utiliza diferentes tipos de luzes para tratamento de várias doenças. Técnica desenvolvida por pesquisadores da Universidade de São Paulo-USP/São Carlos coordenado pelo físico Vanderlei Bagnato, capaz de curar alguns tipos de câncer, estando disponível em vários centros de tratamento em todo país.

Recentemente, o grupo da USP – São Carlos ofereceu uma técnica no tratamento de pacientes com artrose. Eles combinaram dois procedimentos, o ultrassom (por ação de ondas mecânicas atuando na região), conjuntamente com o laser (por ações fotoquímicas), obtendo um efeito muito maior do que em cada um individualmente, provocando o desaparecimento significativo das dores causadas pela doença.

Hoje, o sistema de comunicação por meio de fibra óptica se restringe a grandes distâncias. O desafio é termos componentes ópticos que façam a comunicação entre os vários processadores, que atualmente são feitos por meio de fios metálicos. Para tanto, precisamos reinventar multiplexadores, roteadores, filtros, estabilizadores e outros componentes para redes de fibra óptica na escala nanométrica. Desta forma abrindo novos campos de estudos e de pesquisas nas universidades e em institutos para dotar as fábricas de novas linhas de componentes que subsidiará os novos artefatos eletro-eletrônicos-ópticos.

A engenharia em escala nanométrica já se constituiu uma realidade em plena expansão e, com ela, grandes possibilidades de desenvolvimento que permitirá as novas gerações, acesso às informações que alimentarão os processos da sociedade e seus distintos sistemas neste século, e nos séculos futuros.

Leia outras notícias em Imirante.com. Siga, também, o Imirante nas redes sociais Twitter, Instagram, TikTok e canal no Whatsapp. Curta nossa página no Facebook e Youtube. Envie informações à Redação do Portal por meio do Whatsapp pelo telefone (98) 99209-2383.