Os engenheiros da USC acabaram de tornar a luz mais inteligente com “termodinâmica óptica”

De válvulas a roteadores e à luz

A ideia de roteamento é comum em todas as disciplinas de engenharia. Na mecânica, uma válvula múltipla controla onde os fluidos fluem. 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. Conseguir um tipo semelhante de roteamento com luz, entretanto, tem sido muito mais complexo. Os roteadores ópticos tradicionais dependem de redes de switch complexas e sistemas de controle elétrico para alterar o caminho da luz, o que adiciona camadas de complexidade e limita a velocidade e o desempenho.

Pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi demonstraram agora uma abordagem completamente diferente. O conceito pode ser imaginado como um labirinto de mármore que se organiza. Normalmente, uma pessoa precisaria levantar barreiras e ajustar o caminho para guiar uma bola de gude até o buraco certo. No dispositivo da equipe da USC, o labirinto é estruturado de forma que, não importa onde você deixe cair a bola de gude, ela rolará automaticamente em direção ao destino correto. A luz se comporta da mesma maneira neste sistema – ela encontra sozinha o caminho apropriado, 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 ampliar os limites da electrónica convencional, as principais empresas (incluindo designers de chips como a NVIDIA e outras) estão a investigar tecnologias ópticas como alternativas mais rápidas e mais eficientes em termos energéticos. Ao oferecer um método natural e auto-organizado para direcionar sinais de luz, a termodinâmica óptica poderia acelerar o progresso nesses esforços. Além da comunicação em nível de chip, este princípio também pode influenciar campos como telecomunicações, computação de alto desempenho e transferência segura de informações, abrindo caminho para sistemas ópticos mais simples, porém mais poderosos.

Como funciona: o caos domesticado pela termodinâmica

Os sistemas ópticos multimodo não lineares têm sido frequentemente vistos como 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 mesma complexidade esconde um rico comportamento físico que permaneceu em grande parte inexplorado.

Os investigadores da USC perceberam que a luz nestes ambientes não lineares se comporta como um gás que se move em direção ao equilíbrio térmico, onde colisões aleatórias eventualmente criam uma distribuição estável de energia. Com base nessa percepção, eles desenvolveram a estrutura teórica da “termodinâmica óptica”, descrevendo como a luz em redes não lineares pode passar por processos análogos à expansão, compressão e até mesmo transições de fase. Este modelo fornece uma maneira unificada de compreender e aproveitar a auto-organização natural da luz.

Um dispositivo que direciona a luz sozinho

A demonstração da equipe em Fotônica da Natureza marca o primeiro dispositivo projetado com esta nova teoria. Em vez de direcionar ativamente o sinal, o sistema é projetado para que a luz se direcione sozinha.

O princípio é diretamente inspirado na termodinâmica. Assim como um gás que sofre o que é conhecido como expansão de Joule-Thomson redistribui sua pressão e temperatura antes de atingir naturalmente o equilíbrio térmico, a luz no dispositivo USC passa por um processo de duas etapas: primeiro um análogo óptico da expansão, depois o equilíbrio térmico. O resultado é um fluxo auto-organizado de fótons no canal de saída designado – sem qualquer necessidade de interruptores externos.

Abrindo uma nova fronteira

Ao transformar efetivamente o caos em previsibilidade, a termodinâmica óptica abre a porta para a criação de uma nova classe de dispositivos fotônicos que aproveitam, em vez de lutar contra, a complexidade dos sistemas não lineares. “Além do roteamento, esta estrutura também poderia permitir abordagens inteiramente novas para o gerenciamento de luz, com implicações para o processamento de informações, comunicações e exploração da 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.

O Steven e Kathryn Sample Chair em Engenharia e Professor de Engenharia Elétrica e de Computação na USC Viterbi Demetrios Christodoulides acrescentou: “O que antes era visto como um desafio intratável em óptica foi reformulado como um processo físico natural – um processo que pode redefinir como os engenheiros abordam o controle da luz e de outros sinais eletromagnéticos.”