O comportamento das ondas em pontos excepcionais melhorará a comunicação óptica e o desempenho do sensor

Físicos do NIST estudaram um sistema de dispersão de luz em miniatura - uma camada ultrafina de nitreto de silício,

localizado em um chip de silício.Ranhuras periódicas bem espaçadas são aplicadas ao longo de todo o comprimento do nitreto. Essas ranhuras criam uma rede de difração, um dispositivo que espalha diferentes cores de luz em diferentes ângulos, e o nitreto de silício direciona a luz que entra. A grade espalha a maior parte da luz para cima, perpendicularmente ao dispositivo, o que deve fazer com que a onda de luz decaia exponencialmente.

Os pesquisadores perceberam que a maioriaexperimentos, a luz se comporta "como esperado" e desaparece rapidamente. No entanto, se a largura dos sulcos era quase igual à distância entre eles, em um determinado comprimento de onda da luz infravermelha, sua intensidade diminuía linearmente, não exponencialmente. Ao mesmo tempo, pequenas mudanças no comprimento de onda ou na distância entre os sulcos levaram o sistema ao decaimento exponencial.

Os cientistas também notaram que toda veza intensidade do fluxo que se propaga ao longo da grade mudou de exponencial para linear, a luz espalhada para cima formou um feixe largo com a mesma intensidade por toda parte.

Fonte: S. Kelley/NIST

A equipe de pesquisa do NIST precisavavários anos para desenvolver uma teoria que pudesse explicar o estranho fenômeno. Os cientistas acreditam que isso se deve a uma interação complexa entre a estrutura da treliça e a propagação da luz para frente e para cima. Sob certas condições, no chamado ponto excepcional, a combinação desses fatores reduz drasticamente a perda de luz infravermelha.

Como observam os autores do trabalho, aindaexperimentos mostraram que pontos excepcionais semelhantes são característicos de qualquer tipo de onda (por exemplo, ondas acústicas, raios X, ondas de rádio) que se propagam através de uma estrutura periódica com perdas. 

Os pesquisadores acreditam que a propriedade que encontraramde luz ajudará a transmitir feixes de luz de um dispositivo baseado em chip para outro sem perder energia, o que é útil em comunicações ópticas. E um amplo feixe vertical criado em um ponto excepcional será útil ao estudar uma nuvem de átomos.

Outra aplicação potencial émonitoramento ambiental. Como explicam os autores do trabalho, se um contaminante na superfície do sensor alterar o comprimento de onda da luz na grade, o ponto excepcional desaparecerá abruptamente e a intensidade da luz passará rapidamente de linear para exponencial.

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