Ming-Hsieh Uma equipe de pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação fez progressos significativos no campo da fotônica, criando o primeiro dispositivo óptico baseado em conceitos emergentes de termodinâmica óptica. Suas descobertas foram publicadas em Fotônica da Naturezarevela uma maneira completamente nova de controlar e guiar a luz em sistemas não lineares – sistemas que operam sem interruptores, controles externos ou comandos digitais. Nesta configuração, a luz não é forçada por uma rota específica; em vez disso, ele se move naturalmente pelo dispositivo, guiado pelo comportamento termodinâmico básico.
De válvulas a roteadores e iluminação
A ideia de roteamento é comum nas disciplinas de engenharia. Na mecânica, as válvulas múltiplas controlam o fluxo do fluido. Na eletrônica, um roteador Wi-Fi ou switch Ethernet envia informações digitais de múltiplas fontes de entrada para a porta de saída correta, garantindo que cada sinal chegue ao seu destino. No entanto, conseguir um roteamento semelhante com luz tem sido muito mais complexo. Os roteadores ópticos tradicionais dependem de redes de comutação complexas e sistemas de controle elétrico para alterar os caminhos ópticos, o que aumenta a complexidade e limita a velocidade e o desempenho.
Pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi demonstraram agora uma abordagem totalmente diferente. O conceito pode ser imaginado como um labirinto de mármore auto-organizado. Freqüentemente, é necessário remover obstáculos e ajustar o caminho para guiar a bola de gude até o buraco correto. No dispositivo da equipe da USC, o labirinto é estruturado de forma que, não importa onde você jogue a bola de gude, ela role automaticamente para o destino correto. A luz neste sistema se comporta da mesma maneira – ela encontra seu próprio caminho, seguindo as regras da termodinâmica.
Impacto potencial na indústria
As aplicações potenciais desta descoberta vão muito além da pesquisa acadêmica. À medida que a computação moderna e a transferência de dados continuam a ultrapassar os limites da electrónica tradicional, empresas líderes, incluindo designers de chips como a NVIDIA, estão a investigar a tecnologia óptica como uma alternativa mais rápida e mais eficiente em termos energéticos. A termodinâmica óptica poderia acelerar o progresso nesses esforços, fornecendo uma maneira natural e auto-organizada de direcionar os sinais de luz. Além das comunicações a nível de chip, este princípio também poderá impactar áreas como telecomunicações, computação de alto desempenho e transmissão segura de informações, abrindo caminho para sistemas ópticos mais simples, porém mais poderosos.
Como funciona: a termodinâmica doma o caos
Os sistemas ópticos multimodo não lineares são frequentemente considerados caóticos e difíceis de controlar. Seus muitos padrões de luz sobrepostos os tornam extremamente desafiadores para modelar ou projetar para fins práticos. No entanto, esta complexidade esconde um rico conjunto de comportamentos físicos que permanecem em grande parte inexplorados.
Os pesquisadores da USC perceberam que nesses ambientes não lineares, a luz se comporta como um gás movendo-se em direção ao equilíbrio térmico, com colisões aleatórias produzindo, em última análise, uma distribuição de energia estável. Com base nessa percepção, eles desenvolveram uma estrutura teórica de “termodinâmica óptica”, que descreve como a luz em redes cristalinas não lineares passa por processos semelhantes à expansão, compressão e até mesmo transições de fase. Este modelo fornece uma abordagem unificada para compreender e explorar a auto-organização natural da luz.
Equipamento que encaminha a luz por si só
A apresentação da equipe está em Fotônica da Natureza Marcando o primeiro dispositivo projetado para tirar proveito desta nova teoria. Em vez de controlar ativamente o sinal, o sistema permite que a luz se mova sozinha.
Este princípio é diretamente inspirado na termodinâmica. Assim como um gás sofre a chamada expansão de Joule-Thomson para redistribuir sua pressão e temperatura antes de atingir naturalmente o equilíbrio térmico, a luz no dispositivo USC passa por um processo de duas etapas: primeiro expansão simulada opticamente, depois equilíbrio térmico. O resultado é um fluxo auto-organizado de fótons em um canal de saída designado – sem quaisquer interruptores externos.
abrir novos caminhos
Ao transformar efetivamente o caos em previsibilidade, a termodinâmica óptica abre a porta para a criação de novos tipos de dispositivos fotônicos que exploram, em vez de combater, a complexidade dos sistemas não lineares. “Além do roteamento, esta estrutura permite abordagens inteiramente novas para o gerenciamento de luz, com implicações para o processamento de informações, comunicações e exploração física fundamental”, disse o principal autor do estudo, Hediyeh M. Dinani, estudante de doutorado no Laboratório do Grupo de Óptica e Fotônica da USC Viterbi.
Demetrios Christodoulides, professor de engenharia elétrica e de computação e Steven and Kathryn Sample Chair in Engineering na USC Viterbi, acrescentou: “O que antes era considerado um desafio espinhoso em óptica foi reformulado como um processo físico natural que pode redefinir como os engenheiros controlam a luz e outros sinais eletromagnéticos.”
