Revolucionando a Transmissão de Dados: Antenas Ópticas Multiplexadas para Comunicação Ultra-Rápida

Pesquisadores descobriram uma maneira de aproveitar propriedades de ondas de luz que podem aumentar radicalmente a quantidade de dados que elas transportam. Eles demonstraram a emissão de feixes de laser torcidos discretos a partir de antenas compostas por anéis concêntricos aproximadamente iguais ao diâmetro de um fio de cabelo humano — pequenas o suficiente para serem colocadas em chips de computador.

O trabalho aumentará significativamente a quantidade de informação que pode ser multiplexada, ou transmitida simultaneamente, por uma fonte de luz coerente. Um exemplo comum de multiplexação é a transmissão de múltiplas chamadas telefônicas sobre um único fio, mas havia limites fundamentais para o número de ondas de luz torcidas coerentes que podiam ser multiplexadas diretamente.

A tecnologia supera os atuais limites de capacidade de dados através de uma característica da luz chamada momento angular orbital. Tem aplicações em imagem biológica, comunicações de alta capacidade e sensores.

Métodos atuais de transmissão de sinais através de ondas eletromagnéticas estão atingindo seu limite. A frequência, por exemplo, tornou-se saturada, e é por isso que há apenas tantas estações que se pode sintonizar no rádio. Polarização, onde ondas de luz são separadas em dois valores — horizontal ou vertical — pode dobrar a quantidade de informação transmitida. Cineastas aproveitam isso ao criar filmes 3D, permitindo que espectadores com óculos especializados recebam dois conjuntos de sinais — um para cada olho — para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade.

Além de frequência e polarização está o momento angular orbital (OAM), uma propriedade da luz que atraiu atenção de cientistas porque oferece capacidade exponencialmente maior para transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre OAM é compará-lo ao vórtice de um tornado. O vórtice na luz, com seus graus de liberdade infinitos, pode em princípio suportar uma quantidade ilimitada de dados. O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir de forma confiável o número infinito de feixes OAM.

Os pesquisadores começaram com uma antena, um dos componentes mais importantes no eletromagnetismo e central para as atuais tecnologias 5G e futuras 6G. As antenas neste estudo são topológicas — suas propriedades essenciais são mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Para fazer a antena topológica, os pesquisadores usaram litografia de feixe de elétrons para gravar um padrão de grade em fosfeto de arseneto de gálio e índio (um material semicondutor) e então ligaram a estrutura a uma superfície feita de granada de ferro e ítrio. Eles projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos — o maior com cerca de 50 mícrons de diâmetro — para aprisionar fótons. O design criou condições para suportar um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento de fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

Ao aplicar um campo magnético perpendicular à microestrutura bidimensional, os pesquisadores geraram com sucesso três feixes de laser OAM viajando em órbitas circulares acima da superfície. O estudo mostrou ainda que os feixes de laser tinham números quânticos tão grandes quanto 276, referindo-se ao número de vezes que a luz gira em torno de seu eixo em um comprimento de onda.