Ondas so capturadas sem perdas em partculas nicas

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 22/04/2025

Estados ligados no contnuo

Muitas das tecnologias ao nosso redor – dos celulares e aparelhos de ultrassom aos tradicionais rdios – dependem da ressonncia, um fenmeno no qual as ondas so amplificadas em frequncias especficas. Um inconveniente que os ressonadores tipicamente perdem energia gradualmente com o tempo, o que torna necessrio dar-lhes um aporte constante de energia para manter seu funcionamento.

H quase um sculo, John von Neumann (1903-1957) e Eugene Wigner (1902-1995), ambos nobelistas, propuseram um conceito contraintuitivo: Sob certas condies, as ondas poderiam ficar presas indefinidamente, sem qualquer vazamento de energia. O inconveniente aqui que era s uma teoria – at agora.

Esses casos passaram a ser conhecidos como “estados ligados no contnuo” (BIC: bound states in the continuum) – pense neles como redemoinhos que permanecem no mesmo lugar enquanto o rio flui ao seu redor. Mas, durante dcadas, os cientistas acreditaram que esse fenmeno no poderia existir em um sistema compacto de partculas nicas, mesmo sendo algo que poderia dar um impulso incalculvel em nossas tecnologias.

Bom, eles podem, acabam de demonstrar Yeongtae Jang e colegas da Universidade de Cincia e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul.

Ressonador em partcula nica

Utilizando um sistema de partculas granulares cilndricas, pequenas hastes slidas feitas de quartzo, os pesquisadores construram uma plataforma mecnica altamente ajustvel. E, ao ajustar com preciso o modo como os cilindros se tocam, eles conseguiram controlar a maneira como as ondas mecnicas interagem nas bordas de contato entre eles.

Sob um alinhamento cuidadoso, um modo de onda ficou totalmente confinado dentro de um nico cilindro, sem que nenhuma energia escapasse para a estrutura circundante, finalmente demonstrando experimentalmente um BIC em um nico objeto.

Ainda mais notvel, o sistema atingiu fatores de qualidade (fatores Q) acima de 1.000 – uma medida da eficincia com que um ressonador armazena energia com perda mnima.

Detalhe do experimento e evoluo do alinhamento de polarizao do ressonador (direita).
[Imagem: Yeongtae Jang et al. – 10.1103/PhysRevLett.134.136901]

Bandas planas

A equipe foi alm, e ento testou o que acontece quando vrios dos seus cilindros so conectados em uma cadeia.

O experimento mostrou que os modos de onda aprisionados podem se estender por toda a cadeia sem se dispersar, um fenmeno conhecido como banda plana. Em uma banda plana, a velocidade de grupo de uma onda se torna zero em uma frequncia especfica, fazendo com que a energia permanea confinada dentro da estrutura. Isso resulta em uma alta densidade de estados e forte localizao.

” como jogar uma pedra em um lago parado e ver as ondulaes permanecerem imveis, somente vibrando no mesmo lugar,” disse Jang. “Mesmo que o sistema permita o movimento das ondas, a energia no se espalha – ela permanece perfeitamente confinada.”

Esse comportamento foi descrito como uma “banda limitada no contnuo” (BBIC) e abre novas possibilidades para coleta de energia, sensores ultrassensveis e at mesmo comunicaes avanadas.

“Ns rompemos uma barreira terica de longa data,” disse o professor Junsuk Rho. “Embora ainda esteja na fase de pesquisa fundamental, as implicaes so significativas – desde dispositivos de baixa perda de energia at tecnologias de deteco e sinalizao de ltima gerao.”

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